CN113838961A - 一种小发散角N型共阴极Micro LED器件及其阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小发散角N型共阴极Micro LED器件及其阵列，小发散角N型共阴极Micro LED器件包括像素电极和发光颗粒，所述发光颗粒为采用垂直结构的半导体发光二极管微粒，所述发光颗粒包括N型半导体、P型半导体和设置在二者之间的发光量子阱，所述像素电极与所述P型半导体相连接，所述N型半导体与外部阴极电极相连接，且所述发光颗粒的侧边设置有绝缘隔离结构，收敛发散角，绝缘隔离结构采用绝缘材料或绝缘气体或绝缘膜层中的一种或多种的组合，用于隔离若干相邻的隔离部、P型半导体和发光量子阱。本发明通过将MicroLED颗粒本身的N型半导体层代替单独制作的阴极电极，提高了出光效率。

Description

一种小发散角N型共阴极Micro LED器件及其阵列
技术领域
本发明涉及Micro LED器件技术领域，具体为一种小发散角N型共阴极Micro LED器件及其阵列。
背景技术
Micro LED技术一般指微型的LED颗粒通过可控的电极供电控制其开关的技术,本专利中的Micro LED包含直小于等于500微米的微LED颗粒,本文所指Micro LED可用MiniLED的称呼进行命名。即也可理解为本文所述Micro LED可用MiniLED进行等价替换。
目前MicroLED技术大量应用于平板显示领域，并得到了快速的发展，从应用层面角度，平板显示领域要求具有较大的观看角度，因此要求Micro LED具有较大的出光角度。从技术原理角度，Micro LED的量子阱的电致发光为360度发光，因此具有极大的发散角度，恰好满足了平板显示领域领应用需求。
而在将MCO LED技术用于紫外曝光、投影仪等光学应用中，由于投影镜头的引入即光学原理限制及应用本身对投影镜头出射光线发散角的要求，需要MicroLED阵列每一个像素单元器件所发光线均有与投影镜头所对应的较小的发散角度，超出发散角度之外的光线将或为杂散光导致对比度下降，黑场亮度过高，像素串扰等问题。所以需要将像素单元器件发射光线的角度收敛至对投影镜头相对应的较小的发散角度。
并且，传统的MicroLED加工方法中，将海量的MicroLED颗粒的N型半导体层与透明电极或开口的阴极进行连接，然后通过阴极电极的连接实现共阴极结构，但是透明阴极对MicroLED的出射光线有一定的吸收作用，开口的阴极受开口率的限制也对出射光线有一定的吸收作用，导致光效降低。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种小发散角N型共阴极Micro LED器件及其阵列，通过将MicroLED颗粒本身的N型半导体层代替单独制作的阴极电极，提高了出光效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种小发散角N型共阴极Micro LED器件，包括像素电极和发光颗粒，所述发光颗粒为采用垂直结构的半导体发光二极管微粒，所述发光颗粒包括N型半导体、P型半导体和设置在二者之间的发光量子阱，所述像素电极与所述P型半导体相连接，所述N型半导体与外部阴极电极相连接，且所述发光颗粒的侧边设置有绝缘隔离结构。
优选的，所述N型半导体包括阴极部和隔离部，所述阴极部用于与外部阴极电极相连接，所述绝缘隔离结构设置在所述隔离部、P型半导体和发光量子阱的侧边。
优选的，绝缘隔离结构采用绝缘材料或绝缘气体或绝缘膜层中的一种或多种的组合，用于隔离若干相邻的隔离部、P型半导体和发光量子阱。
优选的，所述绝缘隔离结构采用反光材料制成，且光反射率大于70％，用于反射发光量子阱发射的光线。
优选的，所述N型半导体背离所述发光量子阱的一侧连接有微光学系统，所述微光学系统为透射式光学系统，包括透射组件，用于对发光颗粒发射的光线进行收敛，所述透射组件包括若干透镜。
优选的，所述N型半导体和微光学系统之间设有收敛结构，所述收敛结构的中心处开设有透光区域；所述收敛结构采用对发光量子阱发射出的光吸收率大于70％的材料或光反射率大于70％的材料中的任意一种。
优选的，所述发光量子阱的发光波长范围为170nm-180nm，且所述N型半导体为V族元素掺杂的半导体层，所述P型半导体为Ⅲ族元素掺杂或未掺杂的半导体材料层。
优选的，所述像素电极为金属电极，所述像素电极与外部CMOS控制电路相连，所述CMOS控制电路设置在硅基板或玻璃板上，用于对像素电极进行独立开关以实现对P型半导体的供电通断控制。
一种Micro LED阵列，包括若干由所述小发散角N型共阴极Micro LED器件组成的任意数量的阵列。
优选的，若干相邻的所述小发散角N型共阴极Micro LED器件中的阴极部相互连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过设置绝缘隔离结构，使最终的出射光线仅向阴极电极和微光学系统方向出射，微光学系统对出射光线的进一步收敛出射光线的发散角，最终满足数字曝光及投影领域对Micro LED器件小发散角的技术要求。
本发明通过将MicroLED颗粒本身的N型半导体层代替单独制作的阴极电极，并将相邻的阴极部相互连接，提高了出光效率。
附图说明
图1为本发明一种小发散角N型共阴极Micro LED器件的结构示意图；
图2为本发明一种小发散角N型共阴极Micro LED器件光路结构示意图；
图3为本发明一种Micro LED阵列的结构示意图。
图中：1、像素电极；2、P型半导体；3、发光量子阱；4、N型半导体；401、阴极部；402、隔离部；5、绝缘隔离结构；6、微光学系统；7、收敛结构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的一种实施例，一种小发散角N型共阴极Micro LED器件，包括像素电极1和发光颗粒，所述发光颗粒为采用垂直结构的半导体发光二极管微粒，所述发光颗粒包括N型半导体4、P型半导体2和设置在二者之间的发光量子阱3，所述像素电极1与所述P型半导体2相连接，所述N型半导体4与外部阴极电极相连接，通过将Micro LED颗粒本身的N型半导体4层代替单独制作的阴极电极，并将相邻的阴极部401相互连接，提高了出光效率。
优选的，所述发光颗粒的侧边设置有绝缘隔离结构5，所述N型半导体4包括阴极部401和隔离部402，所述阴极部401用于与外部阴极电极相连接，所述绝缘隔离结构5设置在所述隔离部402、P型半导体2和发光量子阱3的侧边；绝缘隔离结构5采用绝缘材料或绝缘气体或绝缘膜层中的一种或多种的组合，用于隔离若干相邻的隔离部402、P型半导体2和发光量子阱3。该实施例下采用的是用氧化铝材料做隔离填充。除此之外，绝缘隔离结构5还可以为填满空气的空间、绝缘材料填充、绝缘膜层中的一种或多种的组合。绝缘隔离结构5使得各个Micro LED器件之间相互隔离成为互不影响的分立器件，方便后续故障检测中的故障点定位和器件更换。
优选的，所述绝缘隔离结构5采用反光材料制成，且光反射率大于70％，用于反射发光量子阱3发射的光线，同时像素电极1可以反射发光量子阱3发射出的光线，从而使最终的出射光线仅向阴极电极和微光学系统6方向出射。
如图2所示，为收敛后的光路结构示意图，所述N型半导体4背离所述发光量子阱3的一侧连接有微光学系统6，所述微光学系统6为透射式光学系统，微光学系统6对出射光线的进一步收敛出射光线的发散角，微光学系统6包括透射组件，用于对发光颗粒发射的光线进行收敛，所述透射组件包括可以起到收敛发散角作用的一片或多片透镜的组合；且所述N型半导体4和微光学系统6之间设有收敛结构，所述收敛结构的中心处开设有透光区域；所述收敛结构采用对发光量子阱3发射出的光吸收率大于70％的材料或光反射率大于70％的材料中的任意一种，吸光材料可以将大角度的杂散光吸收掉，进而提高光束质量，反射率大于70％的材料可以起到收敛发散角的作用。在该实施例下，收敛结构采用厚度为10nm的氧化铝薄膜反射膜制成。
优选的，所述发光量子阱3的发光波长范围为170nm-180nm，且所述N型半导体4为V族元素掺杂的半导体层，可实现较高的电子迁移率，所述P型半导体2为Ⅲ族元素掺杂或未掺杂的半导体材料层。
优选的，所述像素电极1为金属电极，所述像素电极1与外部CMOS控制电路相连，所述CMOS控制电路设置在硅基板或玻璃板上，用于对像素电极1进行独立开关以实现对P型半导体2的供电通断控制。
如图3所示，一种Micro LED阵列，包括若干由所述小发散角N型共阴极Micro LED器件组成的任意数量的阵列，且若干相邻的所述小发散角N型共阴极Micro LED器件中的阴极部401相互连接然后一并与外部阴极电极相连接即可。
工作原理：本发明通过设置绝缘隔离结构5，使最终的出射光线仅向阴极电极和微光学系统6方向出射，微光学系统6对出射光线的进一步收敛出射光线的发散角，最终满足数字曝光及投影领域对Micro LED器件小发散角的技术要求。
并且，通过将Micro LED颗粒本身的N型半导体4层代替单独制作的阴极电极，并将相邻的阴极部401相互连接，提高了出光效率；Micro LED颗粒中的N型半导体4层具有较高的电子迁移率，通过将LED外延片中N型半导体4层不进行完全分离的方式，使Micro LED阵列中的N型半导体4成为共阴极结构，不再需要为所有的Micro LED颗粒再重新制作阴极电极，解决了透明阴极对Micro LED的出射光线的吸收作用以及开口的阴极对出射光线的吸收作用，再结合绝缘隔离结构5、收敛结构和微光学系统6的收敛发散角的作用，整体上进一步提高了出光效率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种小发散角N型共阴极Micro LED器件，包括像素电极(1)和发光颗粒，所述发光颗粒为采用垂直结构的半导体发光二极管微粒，其特征在于：所述发光颗粒包括N型半导体(4)、P型半导体(2)和设置在二者之间的发光量子阱(3)，所述像素电极(1)与所述P型半导体(2)相连接，所述N型半导体(4)与外部阴极电极相连接，且所述发光颗粒的侧边设置有绝缘隔离结构(5)。
2.根据权利要求1所述的小发散角N型共阴极Micro LED器件，其特征在于：所述N型半导体(4)包括阴极部(401)和隔离部(402)，所述阴极部(401)用于与外部阴极电极相连接，所述绝缘隔离结构(5)设置在所述隔离部(402)、P型半导体(2)和发光量子阱(3)的侧边。
3.根据权利要求2所述的小发散角N型共阴极Micro LED器件，其特征在于：绝缘隔离结构(5)采用绝缘材料或绝缘气体或绝缘膜层中的一种或多种的组合，用于隔离若干相邻的隔离部(402)、P型半导体(2)和发光量子阱(3)。
4.根据权利要求3所述的小发散角N型共阴极Micro LED器件，其特征在于：所述绝缘隔离结构(5)采用反光材料制成，且光反射率大于70％，用于反射发光量子阱(3)发射的光线。
5.根据权利要求4所述的小发散角N型共阴极Micro LED器件，其特征在于：所述N型半导体(4)背离所述发光量子阱(3)的一侧连接有微光学系统(6)，所述微光学系统(6)为透射式光学系统，包括透射组件，用于对发光颗粒发射的光线进行收敛，所述透射组件包括若干透镜。
6.根据权利要求5所述的小发散角N型共阴极Micro LED器件，其特征在于：所述N型半导体(4)和微光学系统(6)之间设有收敛结构，所述收敛结构的中心处开设有透光区域；所述收敛结构采用对发光量子阱(3)发射出的光吸收率大于70％的材料或光反射率大于70％的材料中的任意一种。
7.根据权利要求6所述的小发散角N型共阴极Micro LED器件，其特征在于：所述发光量子阱(3)的发光波长范围为170nm-180nm，且所述N型半导体(4)为V族元素掺杂的半导体层，所述P型半导体(2)为Ⅲ族元素掺杂或未掺杂的半导体材料层。
8.根据权利要求1-7中任一项权利要求所述的小发散角N型共阴极Micro LED器件，其特征在于：所述像素电极(1)为金属电极，所述像素电极(1)与外部CMOS控制电路相连，所述CMOS控制电路设置在硅基板或玻璃板上，用于对像素电极(1)进行独立开关以实现对P型半导体(2)的供电通断控制。
9.一种Micro LED阵列，其特征在于：包括若干由权利要求8所述的小发散角N型共阴极Micro LED器件组成的任意数量的阵列。
10.根据权利要求9所述的Micro LED阵列，其特征在于：若干相邻的所述小发散角N型共阴极Micro LED器件中的阴极部(401)相互连接。
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