CN115956292A - 微型led器件的增强颜色转换和准直 - Google Patents

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Abstract

一种像素(10)，包括第一子像素(100)。第一子像素(100)包括LED层，LED层包括被配置为发射具有泵浦波长的泵浦光(132)的发光材料。容器层(420)具有容器表面(421)，所述容器表面包括第一容器孔(121)，所述第一容器孔(121)限定延伸穿过所述容器层(420)的第一容器容积(120)。设置在第一容器容积(120)中的第一颜色转换层(130)被配置为从LED层接收泵浦光(132)并发射第一转换波长的第一转换光(131)。第一透镜(140)设置在第一容器层(420)上的容器孔(121)上方，其具有包括第一凸面(141)的外侧。符合第一凸面(141)的第一反射器组件包括：第一反射器(142)，所述第一反射器(142)被配置为反射泵浦波长的光并透射第一转换波长的光；以及第二反射器(143)，其被配置为反射泵浦波长和第一转换波长的光。

Description

微型LED器件的增强颜色转换和准直
技术领域
本公开涉及发光二极管(Light Emitting Diode，LED)和LED阵列领域。
背景技术
微型LED阵列通常被定义为尺寸为100×100μm2或更小的LED阵列。微型LED阵列是一种自发光微型显示器或投影仪，适用于各种设备，如智能手表、头戴式显示器、平视显示器、摄像机、取景器、多点激励源和微微型投影仪。
在许多应用中，通过使用能够发射具有一定波长范围的光的微型LED阵列来提供彩色显示器或投影仪是有用的。例如，彩色显示器可以包括在公共基板上具有多个像素的微型LED阵列，其中每个像素可以输出不同颜色的光的组合。例如，像素可以输出红光、绿光和蓝光的组合。这通常通过两种方法中的一种来实现，这两种方法都使用包括多个子像素的像素，每个子像素发射不同颜色的光。在一种方法中，每个子像素可以包括被配置为发射不同波长的光的微型LED。在另一种方法中，每个子像素中的微型LED可以发射相同波长的光，并且可以提供有颜色转换材料。颜色转换材料可以将较高能量的光(泵浦光)转换为较低能量的光(转换光)，从而改变子像素发射的光的颜色。颜色转换材料的例子是磷光体和量子点。
与使用颜色转换材料相关的挑战是有效地将光从泵浦波长转换为转换光的波长。例如，颜色转换材料可以吸收一些转换光，从而降低效率。另一个挑战是仅从设备提取转换光，因为颜色转换材料可能太薄而无法将所有泵浦光转换为转换光。如果任何泵浦光从微型LED泄漏，微型LED的颜色纯度会降低。
为了通过减少泵浦光泄漏来实现良好的颜色饱和度，常用的方法使用滤光器将泵浦光反射回微型LED以回收泵浦光，或者使用高带通滤光器来吸收泵浦光。这种滤光器的一个示例是分布式布拉格反射器，其反射泵浦光并透射转换光。在“Optical cross-talkreduction in aquantum dot-based full-colour micro-light-emitting-diodedisplay by a lithographic-fabricated photoresist mold”(Photonics 25Research，第5卷，第5期，2017年10月)中，UV微型LED阵列被用作量子点(Quantum Dots，QD)的有效激发源。为了减少子像素之间的光学串扰，使用简单的光刻法和光阻剂来制造模具，该模具包括用于添加QD的开口和用于减少串扰的阻挡壁。在QD上提供分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)以反射穿过QD的UV光，从而增加QD的光发射。DBR还用于通过防止泵浦光穿过LED来提高LED的颜色纯度。
为了进一步减少泵浦光泄漏，LED提供颜色转换材料的部分可以衬有被配置为吸收泵浦光的材料。在“Monolithic Red/Green/Blue Micro-LEDs with HBR and DBRstructures”(Guan Syun Chen等人，IEEE Photonics Technology Letters，第30卷第3期，2018年2月1日)中，将具有阻光能力的黑矩阵光阻剂旋涂到微型LED上。黑矩阵光阻剂可以阻挡从包括红色或绿色量子点的蓝色微型LED侧面发出的蓝光。因此，通过黑矩阵光阻剂减少了相邻LED之间的蓝光串扰。然而，由于入射在每个子像素的内壁上的所有可见光都被吸收，所以转换效率显著降低。
还可以使用附加的滤色器，其中着色剂与阻色剂混合并用作微型LED的滤色器。染料的选择可能有助于滤色器的亮度(“Development of Color Resists Containing NovelDyes for Liquid Crystal Displays”,Sumitomo Kagaku,vol.2013)。
与使用微型LED相关的另一个挑战是提高微型LED发射显示器与投影透镜或中继透镜的耦合效率。只有透镜接受角内的光能被使用，剩余的光会损失。微型LED通常以接近具有120度全宽半最大值(full-width half maximum，FWHM)的朗伯发射(Lambertianemission)的角度分布发光。透镜的接受角由其F数决定，对于典型的投影透镜，F数可能为F/2.5或F/3，接受角分别为11.3°和9.5°。朗伯微型LED发出的光只有2.7％在±9.5°范围内，因此97.3％的光作为杂散光损失，并且收集光的效率非常低。
用于提高发射效率的一种方法是在LED表面上引入随机纳米纹理，光波长比例的特征导致光的无秩序行为及提高的发射效率(Applied Physics Letters 63,1993,pp.2174-2176)。类似地，可以将光波长顺序的周期图案或非周期图案引入至LED的发射表面或内部界面，干扰效应会增加光提取(美国专利5779924A和美国专利6831302B1)。然而，粗糙化会在光线逸出之前导致多次内部反射，从而导致损失。
实现准直通常依赖于次级光学元件，通常由微透镜阵列组成，其中每个微透镜与单个微型LED对准以准直发射的光(例如US2009115970、US2007146655和US2009050905A1)。这些微透镜必须与LED阵列精确对齐。
将LED的侧壁成形可以改进制造并增加光提取(例如，美国专利7598149B2)。蚀刻台面以形成有源层所在的抛物面台面结构，也可以准直发射的光(US2015236201 A1和US2017271557A1)。光从台面的内表面反射，并从与台面相对的发射表面离开LED。这种方法有损坏有源层的风险，并且在蚀刻台面时很难获得平滑的光洁度，因此有源层的台面侧存在粗糙度，这降低了可能的准直度。
需要准直由微型LED发射的光，从而减小FWHM并提高光收集效率。还需要进一步提高包括颜色转换材料的微型LED的颜色纯度和效率。
发明内容
在此背景下，提供了：
一种像素，包括第一子像素，其中所述第一子像素包括：
LED层，其包括发光材料，所述发光材料被配置为从发光表面发射泵浦光，所述泵浦光具有泵浦波长；
容器层，其具有容器表面，所述容器表面包括第一容器孔，所述第一容器孔限定延伸穿过所述容器层的第一容器容积；
第一颜色转换层，其设置在所述第一容器容积中并被配置为接收来自所述LED层的所述发光表面的光，其中所述第一颜色转换材料包括第一颜色转换材料，所述第一颜色转换材料被配置为吸收所述泵浦波长的光并发射第一转换波长的第一转换光；
第一透镜，其设置在所述容器层上的所述第一容器孔上方，包括与所述颜色转换层相邻的内侧和外侧，其中所述外侧包括第一凸面；
第一反射器组件，其与所述第一透镜的外侧相邻并符合所述第一凸面，所述第一反射器组件包括：
第一反射器，其被配置为反射所述泵浦波长的光并透射第一转换波长的光；以及
第二反射器，其被配置为反射所述泵浦波长的光和所述第一转换波长的光；
其中所述第二反射器包括第一子像素反射器孔，并且其中所述第一反射器填充所述第一子像素反射器孔。
以此方式，可以通过反射未被颜色转换材料转换的任何泵浦光，使得其进入颜色转换材料并具有另一个被转换的机会来增加子像素的颜色饱和度。泵浦波长的光可以穿过颜色转换材料的次数与将光转换为转换波长的光所需的次数相同。也可以增加子像素的光学效率，因为光只可以通过反射器孔发射。以此方式，所发射的光束被准直，增加了可由光收集装置捕获的所发射的光的比例，因为在光收集装置的收集角度内的所发射光束的比例增加了。
所述像素可以进一步包括第二子像素，其中所述第二子象素包括：
LED层，其包括发光材料，所述发光材料被配置为从发光表面发射泵浦光，所述泵浦光具有泵浦波长；
容器层，其具有容器表面，所述容器表面包括第二容器孔，所述第二容器孔限定延伸穿过所述容器层的第二容器容积；
第二颜色转换层，其设置在所述第二容器容积中并被配置为接收来自所述LED层的发光表面的光，其中所述第二颜色转换层包括第二色转换材料，所述第二色转换材料被配置为吸收所述泵浦波长的光并发射第二转换波长的第二转换光；
第二透镜，其设置在所述容器层上的所述第二容器孔上方，包括与所述颜色转换层相邻的内侧和外侧，其中所述外侧包括第二凸面；
第二反射器组件，其与所述第二透镜的外侧相邻并符合所述第二凸面，所述第二反射器组件包括：
第三反射器，其被配置为反射所述泵浦波长的光并透射所述第二转换波长的光；以及
第四反射器，其被配置为反射所述泵浦波长和所述第二转换波长的光；
其中，所述第四反射器包括第二子像素反射器孔，并且其中所述第三反射器填充所述第二子像素反射器孔。
有利地，像素可以包括具有不同颜色转换材料的多个子像素，使得所述像素包括具有本公开的子像素的增加的颜色饱和度和光学效率的不同颜色的子像素。
所述像素可以进一步包括发射所述泵浦波长的光的第三子像素，其中所述第三子象素包括：
LED层，其包括发光材料，所述发光材料被配置为从发光表面发射泵浦光，所述泵浦光具有泵浦波长；
容器层，其具有容器表面，所述容器表面包括第三容器孔，所述第三容器孔限定穿过所述容器层延伸的第三容器容积；
透镜，其设置在所述容器层上的所述第三容器孔上方，包括与所述容器层相邻的内侧和外侧，其中所述外侧包括第三凸面；
第三反射器组件，其与所述第三透镜的外侧相邻并符合所述第三凸面，所述第三反射器组件包括：
第五反射器，其被配置为反射泵浦光，其中所述第五反射器包括第三子像素反射器孔。
以此方式，所述像素可以包括子像素，该子像素是泵浦光的颜色并且仍然具有本公开的子像素的增加的光学效率。
所述第一反射器的中心轴线和所述第二反射器的中心轴线与所述凸面的中心轴线对齐。
有利地，准直光束因此具有平行于容器层法线的中心轴线。
所述第一反射器可以包括叠层结构。
所述第一反射器可以包括折射系数较高和较低的交替层。
以此方式，可以降低第一反射器对第一转换波长的光的反射率。
所述第一反射器可以包括多个TiO2层和SiO2层。
有利地，具有这种结构的第一反射器可以具有小于5％的第一转换波长的反射光。
所述第一反射器可以包括分布式布拉格反射器。
以此方式，第一反射器可以透射转换波长的光并反射泵浦波长的光。
所述第二反射器可以包括金属材料。
以此方式，第二反射器可以反射所有可见波长的光，使得其反射泵浦波长和第一转换波长的光。
所述容器容积可以包括反射性内侧壁。
有利地，这可以通过增加由LED层的发光表面发射的经由容器孔离开容器容积的光的比例来增加子像素的光提取效率。
所述容器孔的面积可以至少等于所述LED层的发光表面的面积。
所述容器容积的内侧壁相对于所述LED层的发光表面的法线可以形成至少35°且不大于85°，或优选地不大于60°的角度。
有利地，这可以通过增加入射到内侧壁上的朝向容器孔反射的光的比例来增加子像素的光提取效率。以此方式，由LED层的发光表面发射的经由容器孔离开容器容积的光的比例增加。
所述容器孔可以是圆形的，使得容器容积类似于截头倒圆锥体，或者所述容器孔可以是矩形的，使得容器容积类似于截头倒四角锥。
以此方式，容器容积可以被设计为通过具有倾斜的内侧壁并且在容器层的平面中具有例如可能与LED层的发光表面相同的形状的横截面来提高光学效率。
所述透镜可以是半球形的。
有利地，由反射器中的一个在凸面反射的光可以沿着与入射路径相同或相似的路径反射，使得入射到颜色转换材料上的反射光的比例增加。以此式，随后被转换为转换波长的光的泵浦波长的反射光的比例增加。
透镜的凸面可以是椭圆形或抛物线形。
以此方式，被反射器中的一者反射的光随后可再次从反射器中的一者反射，使得其入射到颜色转换材料上。
所述透镜的特征尺寸可以是所述容器层的平面中的所述孔的特征尺寸的至少两倍大。
有利地，从容器孔的边缘发射的光在凸面上的入射角可以减小，使得如果光被反射，则其反射路径与其入射路径相似，并且入射到颜色转换材料上的反射光的比例增加。
所述像素还可以包括在所述LED层和所述颜色转换层之间的界面处的转换光反射器叠层。
以此方式，通过增加容器容积中朝向容器孔反射的光的比例来增加子像素的光学效率。
透射通过所述第一反射器的所述转换波长的光的全宽半最大值可以小于60°，或优选地可以小于50°
以此方式，通过准直所发射的光束来增加子像素到光收集装置的耦合效率，从而增加在光收集装置的收集角度内的所发射光束的比例。
所述第一反射器对所述泵浦波长的光的反射率可以大于95％，或优选地为100％。
有利地，这通过减少从子像素发射的泵浦波长的光的量来增加子像素的颜色饱和度。
所述第一反射器对所述转换波长的光的反射率可以小于10％，或优选地小于5％。
有利地，这通过增加第一反射器透射的入射到第一反射器上的转换波长的光的比例来增加子像素的光学效率。
所述转换波长可以长于所述泵浦波长。
所述颜色转换材料可以包括量子点材料。
所述泵浦波长可以是蓝色的，并且所述第一转换波长是包括红色和绿色的颜色组中的第一颜色。
所述第二转换波长可以是所述颜色组中的第二颜色。
所述第三子像素的所述容器容积可以填充有半透明材料
以此方式，像素可以包括RGB(红、绿、蓝)三元组。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式描述本公开的具体实施例，其中：
图1显示了常见的子像素布置。
图2显示了根据本公开的子像素的示意性横截面。图2A显示了子像素的容器容积和泵浦光LED，图2B显示了透镜在子像素容器孔上的布置，图2C显示了包括颜色转换材料和设置在透镜上的反射器的完整子像素。
图3显示了根据本公开的像素的示意性横截面。图3A显示了像素的容器容积和泵浦光LED，图3B显示了整个像素。
图4示出了光线离开透镜时的折射。
图5示出了像素的泵浦光和转换光的路径，该像素包括每个子像素上的透镜，但没有反射器。
图6示出了图5的子像素的发射光谱，其中泵浦光LED为蓝色。图6A对应于包括将蓝光转换为红光的颜色转换材料的子像素，图6B对应于包括把蓝光转换成绿光的颜色转化材料的子象素，图6C对应于没有颜色转换材料的子象素。
图7显示了图5的子像素的发射分布。
图8示出了根据本公开的像素的泵浦光和转换光的路径，包括每个子像素上的半球形透镜和反射器。
图9示出了图8的子像素的发射光谱，其中泵浦光LED为蓝色。图9A对应于包括将蓝光转换为红光的颜色转换材料的子像素，图9B对应于包括把蓝光转换成绿光的颜色转化材料的子象素，图9C对应于没有颜色转换材料的子像素。
图10显示了图8的子像素的发射分布。
图11示出了根据本公开的像素的泵浦光和转换光的路径，包括每个子像素上的抛物面透镜或椭圆透镜和反射器。
图12显示了根据本公开的叠层反射器的反射率。
图13显示了根据本公开的叠层反射器的结构示意图。
图14显示了分布式布拉格反射器的反射率。
图15显示了根据本公开的子像素的示意性横截面，其中容器容积包括倾斜的内侧壁。
图16显示了根据本公开的多个子像素的示意平面图。
图17示出了根据实施例的像素制造的一些步骤。图17A显示了沉积的容器层，图17B显示了图案化容器层；图17C显示了填充有颜色转换材料或透明材料的容器容积，图17D显示了容器孔上的透镜。
图18示出了反射器的结构示例。图18A显示了第二反射器，包括首先沉积在透镜上的反射器孔，然后沉积第一反射器并覆盖整个凸面。图18b显示了首先沉积在透镜上的第一反射器，其覆盖整个凸面，然后沉积包括反射器孔的第二反射器。图18C示出了示例，其中第一反射器仅设置在第二反射器的反射器孔中，反射器之间的重叠小。
具体实施方式
像素10的常见子像素配置如图1所示。像素10可以包括第一、第二和第三子像素100、200和300，其中第一、第二和第三子像素可以发射不同波长的光。例如，第一子像素100可以是红色，第二子像素200可以是绿色，第三子像素300可以是蓝色。根据本公开的实施例，可以提供像素10，其中每个子像素包括发光二极管，并且其中至少一个发光二极管包括颜色转换材料。因此，根据本公开的实施例，像素10还包括发光二极管。
根据本公开实施例的发光二极管如图2C中的第一子像素100所示。图2A和2B显示了子像素100的部分，以帮助阐明描述。参考图2A，子像素100可以包括光产生层，所述光产生层包括被配置为输出泵浦光的半导体结，因此，光产生层可以被认为包括泵浦光LED110。泵浦光LED110可以包括具有第一掺杂区和第二掺杂区(未示出)的半导体材料。第一掺杂区和第二掺杂区之间的界面(未示出)可以包括多个量子阱，并且可以被配置为当施加电流时产生光。泵浦光LED110可以包括III族氮化物。光产生层可以制造在衬底上，泵浦光LED110的与衬底相反的一侧可以包括泵浦光LED110的发光表面111。
泵浦光LED110被配置为产生具有泵浦光波长的光。在示例中，泵浦光的波长可以对应于蓝色可见光。在一些实施例中，泵浦光的波长可以是至少440nm和/或不大于470nm。特别地，泵浦光的波长可以是至少450nm和/或不大于460nm。在本公开中，当LED被描述为发射具有波长的光时，所述波长被认为是由具有最高强度(峰值强度)的LED发射的光的波长。泵浦光的波长可以由存在于第一掺杂区和第二掺杂区之间的界面处的量子阱确定。
泵浦光LED110包含在基层410内。基层410可以包括阻光材料。子像素100包括设置在基层410上的容器层420。在实施例中，容器层420可以由金属制成。例如，容器层420可以由铝制成。与容器层420的邻近基层410的一侧相反的容器层420的一侧限定了包括容器孔121的容器表面421。容器孔121限定了穿过容器层420到泵浦光LED110的发光表面111的容器容积120。容器容积的内侧壁122可以围绕泵浦光LED110的发光表面111，使得容器容积120大致与泵浦光LED110对齐。容器容积120的与容器孔121相对的一侧可以包括泵浦光110的发光表面111。在容器层420由金属制成的实施例中，内侧壁122是反射光的，使得入射在内侧壁122上的泵浦光LED110的发光表面111发射的光可以被反射至少一次，然后通过容器孔射出。在容器层420不是由金属制成的实施例中，内侧壁122可以涂覆有反射涂层。在实施例中，在容器层420和包含基层410和LED110的晶片之间可以存在薄层，用于电隔离。例如，薄层可以是厚度约为100nm的介电钝化层。
在某些实施例中，容器孔121的面积可以至少等于泵浦光LED110的发光表面111的面积。在某些实施例中，容器容积120的与泵浦光LED110的发光表面111相邻的一侧的面积可以至少等于泵浦光LED110的发光表面112的面积。容器容积120的中心轴线可以与泵浦光LED110的中心轴线对齐。容器孔121的面积可以至少等于容器容积120的与泵浦光LED110的发光表面111相邻的一侧的面积。
容器孔121可以设置为各种不同的形状。例如，容器孔121可以是椭圆形、矩形、六边形或任何形式的规则或不规则多边形。在一些实施例中，容器孔121的形状可以对应于泵浦光LED110的发光表面111的形状。在一些实施例中，容器孔121的形状可以与泵浦光LED110的发光表面111的形状不同。根据容器孔121的形状，容器容积120可以包括一个或多个内侧壁122。例如，对于椭圆形容器孔121，容器容积120可以包括单个连续的内侧壁122。对于矩形容器孔121，容器容积120可以包括四个内侧壁。内侧壁122的数量可以等于容器孔121的形状所具有的边的数量。
在某些实施例中，容器孔121的面积可以至少等于泵浦光LED110的发光表面111的面积。在某些实施例中，容器容积120的与泵浦光LED110的发光表面111相邻的一侧的面积可以至少等于泵浦光LED110的发光表面111的面积。容器容积120的中心轴线可以与泵浦光LED110的中心轴线对齐。容器孔121的面积可以至少等于容器容积120的与泵浦光LED110的发光表面111相邻的一侧的面积。
参考图2B，子像素100还可以包括设置在容器表面421上的容器孔121上方的第一透镜140。第一透镜140可以包括设置于容器表面421上和容器孔421上方的内侧，以及形成凸面141的外侧。设置第一透镜140是为了减少在子像素100和外部环境之间的界面处全内反射的转换光的量。在特定实施例中，凸面141可以是半球形的。此后，可以将透镜140的内侧和外侧描述为透镜的相对两侧，尽管很明显，透镜140的外侧与透镜的内侧接合，因此两侧并不总是彼此相对。透镜140的外侧可以以90°或更小的角度与透镜140的内侧接合。
子像素100的容器容积120可以填充有颜色转换层130，如图2C所示，其将泵浦波长的光转换为第一转换波长的光。以此方式，颜色转换层130被配置为将泵浦光转换为第一转换光。颜色转换层的发光表面131可以是颜色转换层的与泵浦光LED110的发光表面111相邻的颜色转换层一侧相反的一侧。颜色转换层130的发光表面131和容器表面421可以在同一平面内。如上所述，泵浦光LED110可以发射蓝光。第一颜色转换材料130可以将蓝光转换为红光。第一颜色转换材料130可以被配置为将具有至少440nm和/或不大于480nm的泵浦波长的光转换为具有至少600nm和/或者不大于650nm的第一转换波长的光。
在一些实施例中，颜色转换材料130可以包括量子点。在一些实施例中，颜色转换材料130可以包括磷光体。在一些实施例中，颜色转换材料130可以包括有机半导体。在一些实施例中，颜色转换材料130可以包括量子点、有机半导体和磷光体的组合。对于具有表面积超过1mm2的容器容积的LED和LED阵列，磷光体的较大颗粒尺寸可以是有利的。对于具有表面积小于1mm2的容器容积的LED和LED阵列，例如微型LED，使用包括量子点或有机半导体(因较小的颗粒尺寸)的颜色转换层可以是有利的。包括量子点的颜色转换材料是本领域技术人员已知的。用作颜色转换层的合适量子点的进一步细节可以至少在“Monolithic Red/Green/Blue Micro-LEDs with HBR and DBR structures”(Guan-Syun Chen等)中找到。
内侧壁122可以是反射光的，使得入射在内侧壁122上的较大比例的光将被反射回容器容积120(相对于光吸收侧壁)。因此，可以从LED提取从颜色转换材料130的所有方向上产生的更大比例的转换光。在容器层420不是由金属制成的情况下，内侧壁122可以涂覆有如薄膜金属的反射材料，例如Al或Ag。
子像素100还可以包括设置在第一透镜140的凸面141上的至少一个反射器层。设置在第一透镜140上的第一反射器142可以被配置为反射泵浦波长的光并透射第一转换波长的光。第二反射器143可以设置在第一透镜140上，其被配置为反射泵浦波长的光和第一转换波长的光。第二反射器143可以包括反射器孔，其中第一反射器142填充反射器孔。第一反射器和第二反射器可以各自符合第一子像素的透镜的凸面的一部分。因此，第一反射器142和第二反射器143具有凸面，使得以大于45°的入射角入射到第一反射器上的转换光的比例相对于平面第一反射器小。因此，入射到第一反射器142上的全内反射的转换光的比例可以减小。这样，入射在第一反射器142上的更大比例的转换光可以透射通过第一反射器142，从而提高子像素100的提取效率。
此后，具有泵浦波长的光可以被称为泵浦光，即使它不是由泵浦光LED110直接发射的。例如，具有泵浦波长已被第一反射器142反射并入射到颜色转换材料130上的光可以称为泵浦光。类似地，具有第一转换波长的任何光可以被称为第一转换光，即使它不是直接从颜色转换材料130发射的。例如，已经从第二反射器143反射的具有第一转换波长的光可以被称作第一转换光。
第一反射器142可以在第一透镜140的凸面141上居中，使得第一反射器142的中心轴线可以与第一透镜140中心轴线对齐。第二反射器143的中心反射器孔也可以与第一反射器142的中心轴线和第一透镜140中心轴线对齐。第一透镜140的整个凸面141可以被第一反射器142和第二反射器143中的至少一个覆盖。
透镜可以包括光学透明材料。例如，透镜可以包括硅树脂(silicone)、SiO2或其他介电材料。透镜可以使用压印光刻法制造，例如使用UV固化的混合聚合物材料，例如来自“Micro Resist Technology GmbH”的Ormoclear(RTM)。透镜也可以用树脂印刷。
容器孔121、221、321可以具有特征尺寸D0，其为容器孔121、221和321的最大尺寸。例如，对于圆形容器孔121、221、321，D0是圆的直径。对于方形容器孔121、221、321，D0是对角的、角到角的距离。透镜140、240、340可以具有特征尺寸D1，其是透镜140、240、340的平行于容器表面的最大横截面的直径。D1可以是邻近容器表面421的透镜140、240、340的平坦侧的直径。D1可以大于D0。优选地，D1可以至少是D0尺寸的两倍。
像素10可以包括排列成阵列的第一、第二和第三子像素100、200和300，其中至少一个子像素类似于图2C所示。例如，参考图3，子像素10可以包括与子像素100类似的第一和第二子像素100和200。
像素10可以包括包含半导体结阵列的光产生层。每个半导体结被配置为输出泵浦光，使得光产生层可以被认为是泵浦光LED110、210和310的阵列。每个泵浦光LED110、210和320可以包括具有第一掺杂区和第二掺杂区(未示出)的半导体材料。第一掺杂区和第二掺杂区之间的界面(未示出)可以包括多个量子阱，并且可以被配置为当施加电流时产生光。每个泵浦光LED110、210和310可以包括III族氮化物。光产生层可以制造在衬底上，并且每个泵浦光LED110、210和310的与衬底相反的一侧可以包括泵浦光LED110、210或310的发光表面111、211或311。
泵浦光LED110、210、310包含在基层410内。基层410可以包括阻光材料。图3所示的像素10还包括设置在基层410上的容器层420。在实施例中，容器层420可以由金属制成。例如，容器层420可以由铝制成。容器层420的与基层410相邻一侧相反的一侧限定了包括多个容器孔121、221和321的容器表面421。每个容器孔121、221和321限定了穿过容器层421到每个泵浦光LED110、210和310的发光表面111、211和311的容器容积120、220和320。容器容积的内侧壁122、222和322可以围绕泵浦光LED110、210和310的各个发光表面111、211和311，使得容器容积120、220和320通常与泵浦光LED110、210和311对齐。容器容积120、220和320的与容器孔121、221和321相对的一侧可以包括泵浦光LED110、210或310的发光表面111、211或311。每个容器孔121、221、321、容器容积120、220、320和内侧壁122、222、322与上文参考图2所述的相似。
参考图3B，每一个子像素100、200和300都可以进一步包括透镜140、240、340，如上所述，所述透镜140、240、340设置在容器表面421的相应容器孔121、221、321上方。透镜140、240、340在透镜140、240、340的与颜色转换层相对的一侧上具有凸面141、241、341。设置透镜是为了减少在子像素和外部环境之间的界面处全内反射的转换光的量。在特定实施例中，凸面141、241、341可以是半球形的。
容器容积120、220和320中的至少一个可以填充有颜色转换层。在图3B所示的实施例中，泵浦光LED110、210、310可以是蓝色，从而子像素100可以是红色，子像素200可以是绿色，子像素300可以是蓝色。第一子像素100的第一容器容积120可以填充有将泵浦光转换为第一转换光的第一颜色转换材料130。第二子像素220的第二容器容积220可以填充有将泵浦光转换为第二转换光的第二颜色转换材料230。容器容积中的至少一个可以不包括任何颜色转换材料，使得子像素输出泵浦光。例如，第三容器容积320可以是未填充的，或者可以填充有透明材料或可以对泵浦波长的光透明的半透明材料330。例如，半透明材料330可以对蓝色可见光透明。颜色转换层的与颜色转换层邻近泵浦光LED110、210、310的发光表面的一侧相反的一侧可以与容器表面421处于同一平面中。如上所述，泵浦光LED110、210和310可以发射蓝光。第一颜色转换材料130可以将蓝光转换为红光，并且第二颜色转换材料230可以将蓝灯转换为绿光。第一和第二颜色转换材料130和230可以被配置为转换具有至少440nm和/或不大于480nm的波长的泵浦光。第一颜色转换材料130可以被配置为将泵浦光转换为具有至少600nm和/或不大于650nm的波长的第一转换光。第二颜色转换材料230可以被配置为将泵浦光转换为具有至少500nm和/或不大于550nm的波长的第二转换光。
像素10还可以包括设置在各个透镜140、240、340的凸面141、241、341上的至少一个反射器层。如上所述，第一子像素100可以包括设置在第一透镜140上的第一反射器142，所述第一反射器142被配置为反射泵浦光和透射第一转换光，以及设置在第一透镜140上的第二反射器143，所述第二反射器142被配置为反射泵浦光和第一转换光。第二反射器143可以包括反射器孔，其中第一反射器142填充所述反射器孔。
第二子像素200可以包括设置在第二透镜240上的第三反射器242，其被配置为反射泵浦光并透射第二转换光，以及设置在第二透镜240上第四反射器243，其被设置为反射泵浦光和第二转换光。第四反射器243可以包括反射器孔，其中第三反射器242填充所述反射器孔。
第三子像素300可以包括设置在第三透镜340上的第五反射器343，其被配置为反射泵浦光，其中第五反射器343包括反射器孔。
第一反射器142和第二反射器143可以符合第一子像素100的第一透镜140的第一凸面141的一部分，第三反射器242和第四反射器243可以符合第二子像素200的第二透镜240的第二凸面241的一部分，并且第五反射器343可以符合第三子像素300的第三透镜340的第三凸面341的一部分。
图4显示了子像素100的光线跟踪图，其中透镜340的凸面341是半球形的。如图4a所示，从容器孔321的中心发射出的光线以垂直入射到凸面341的方式入射到凸面341上。光线在没有折射的情况下透射通过凸面341。如图4b所示，从更靠近容器孔321的边缘发射出的光线以小但有限的入射角入射到凸面341上，并且光线在透射通过凸面341时折射远离凸面341的法线。光线的入射角对于凸面341的法线可以小于30°。以高于阈值的入射角入射到凸面341上的光线可以被全内反射(未示出)。
图5示出了在第一、第二和第三透镜140、240和340上没有任何反射器的情况下，来自第一、第二和第三子像素100、200和300的光发射。对于第一子像素100，泵浦光LED110发射的一部分泵浦光被第一颜色转换材料130转换为第一转换光，使得第一颜色转换材料130发射具有第一转换波长的第一转换光131(由具有栅格图案的箭头指示)。由于微型LED中使用的薄的颜色转换材料，一部分泵浦光透射通过颜色转换材料130而不被转换为第一转换光，因此泵浦光132以泵浦光波长从第一颜色转换材料130发射(由白色箭头指示)。未被转换的泵浦光的部分可以小于被转换为第一转换光131的泵浦光的部分。类似地，对于第二子像素200，由泵浦光LED210发射的一部分泵浦光被第二颜色转换材料230转换为第一转换光，使得颜色转换材料230发射具有第二转换波长第二转换光231(由具有栅格图案的箭头指示)。一部分泵浦光透射通过第二颜色转换材料230而不被转换为第二转换光，因此泵浦光232以泵浦光波长从第二颜色转换材料230发射(由白色箭头指示)。第三子像素300仅以泵浦光波长发射泵浦光331。
图6显示了图5中每个子像素发出的光的发射光谱。图6A示出了第一子像素100的发射光谱，在实施例中，其中第一子像素100包括颜色转换材料，所述颜色转换材料将蓝色泵浦光转换为红色转换光，因此第一个子像素100发出的光预期为红色。如所预期的，最大强度集中在波长630nm处，但有一个较小的峰值集中在对应于泵浦光波长的450nm处。类似地，第二子像素200(图6B)预期为绿色，但除了以540nm为中心的峰值之外，还有一个以泵浦光波长为中心的较小峰值。仅发射泵浦光的第三子像素300具有单个峰值(图6C)。因此，第一子像素100和第二子像素200的颜色饱和度低于第三子像素300的颜色饱和度。图7显示了透镜上没有任何反射器的子像素100的发射分布，其接近朗伯分布(Lambertiandistribution)，并且具有大约120°的全宽半最大值(full-width half-maximum，FWHM)。因此，例如当像素耦合到光学系统时，光收集效率将很低。例如，对于接受角为±10°的透镜，仅3％具有朗伯分布的由LED发射的光被收集。
如上文参考图3B所述，图8示出了根据本公开实施例的像素10的发光。对于第一子像素100，第一反射器142透射第一转换光131并反射泵浦光132。第二反射器143反射第一转换光131和泵浦光132。因此，第一子像素100所发射的光比没有反射器的子像素具有更高的颜色饱和度(如图5所示)。光束也被准直，因为光只可以通过反射器孔发射出。反射的泵浦光可以再循环，因为其可以入射到第一颜色转换材料130上，并且有第二次机会转换为第一转换光，然后可以由第一颜色转换材料130发射。由第二反射器143反射的第一转换光也可以再循环。容器的容器表面421和内侧壁122可以是反射光的，使得由第一反射器142和第二反射器143反射的任何光可以随后被反射至少一次，从而入射到第一透镜142的凸面141上。因此，可以提高光提取效率。
类似地，第二子像素200包括第三反射器242，其透射第二转换光231并反射泵浦光232。第四反射器243反射第二转换光231和泵浦光232。第三子像素300仅包括具有反射器孔的第五反射器343，其中第五反射器343反射泵浦光并且泵浦光通过孔发射。
图9表示各子像素的发射光谱(图9A对应于第一子像素100，图9B对应于第二子像素200，图9C对应于第三子像素300)。在该实施例中，第一子像素100和第二子像素200包括将蓝色泵浦光分别转换为红色光和绿色光的颜色转换材料。第三子像素300不包括颜色转换材料并且发射蓝光。与图6所示的发射光谱不同，每个第三子像素只有单个峰值发射。特别地，第一和第二子像素100在其发射光谱中在蓝色波长处不具有峰值，这表明最小的泵浦光已经被发射。图10显示了类似于图8所示的子像素100的发射分布。由于光仅通过反射器孔发射，因此发射分布比图7中的窄，并且具有大约50°的全宽半最大值。
上述实施例中的第一、第二和第三透镜140、240和340是半球形的。因此，从容器孔121、221、321的中心发射出的光以凸面141、241、341的法线入射到透镜140、240、340的凸面141、241、341上。任何被反射的光都具有与入射路径相同的反射路径，使得反射光在容器孔121、221、321的光发射点处入射。这避免了反射光聚焦在特定区域上并远离其他区域，从而可以更有效地回收反射光，以提高子像素100、200、300的光提取效率。例如，颜色转换材料130、230可以不将所有泵浦光转换为转换光，并且可以发射一些泵浦光。该泵浦光132、232可以被透镜140、240的凸面141、241上的反射器142、143、242、243中的一个沿着其入射路径反射，从而重新进入颜色转换材料130、230。然后，泵浦光可以在颜色转换材料130、230内的第二行程中被转换为转换光，并且随后作为转换光131、231从颜色转换材料130、230发射。转换光也可以从其中一个反射器143、243反射，使得其重新进入颜色转换材料130、230。转换光通过瑞利散射(Rayleigh scattering)散射。通过容器孔121、221进入容器容积120、220的高达50％的光可以在随后由内侧壁122、222反射或由泵浦光LED110、210的发光表面111、211上的涂层(稍后描述)反射后通过容器孔122、221发射出。在没有颜色转换材料的情况下，如在第三子像素300中，进入容器容积320的高达70％的光可以经由容器孔321发射出。
从不在容器孔中心的点发射出的光可以与凸面141、241、341的法线成有限角度入射到凸面141、241和341上，从而如果光被反射，反射路径与入射路径不同。反射光可以在与其射出的不同点入射到容器孔上。一些反射光可以入射到容器表面上并被第二次反射。
由反射器142、143、242、243中的一个反射的泵浦光在某些情况下可以从容器表面421反射，或者在其第二行程中不通过颜色转换材料130、230转换为转换光。然后，泵浦光可以第二次入射到凸面141、241上，并且可以再次被透镜140、240的凸面141、241上的反射器142、143、242、243中的一个反射。第二次在凸面141、241、341反射的泵浦光可以沿着其入射路径反射，或者以其他方式再次(第三次)进入颜色转换材料130、230，或者从容器表面421反射。理论上，只要光保持不转换，这种循环就可能持续下去。由于颜色转换材料130、230内的不同反射，来自颜色转换材料130、230的发射位置对于每次行程可以不同，使得光在每次情况下可以不沿着相同的路线穿过透镜。类似地，转换光可以从第二或第四反射器143、243中的一个反射，并且可以第二次入射到颜色转换材料130、230上，或者可以从容器表面421反射。从颜色转换材料130、230第二次发射或从容器表面421反射的转换光可以第二次入射到透镜140、240的凸面141、241上。在转换光入射到反射器孔上的情况下，转换光可以透射通过第一或第三反射器142、242并且可以离开透镜。在转换光未入射到反射器孔上的情况下，转换光可以第二次从第二和第四反射器反射。理论上，该循环可以持续，直到转换光入射到反射器孔上并离开子像素。
如上所述，容器容积120、220的内侧壁122、222是反射光的，使得重新进入颜色转换材料的光可以被反射至少一次，并且随后可以通过容器孔发射出。从容器孔121、221、321的边缘发射出的光可以与凸面141、241、341的法线成有限角度入射到透镜140、240、340的凸面141、241和341上。因此，光的反射路径可以与入射路径不同。因此，对于回收光的效率，容器孔的特征尺寸D0小于透镜D1的特征尺寸是有利的，使得从容器孔121、221、321的边缘发射出的光可以接近凸面141、241、341的法线而入射到透镜140、240、340的凸面141、241、341上，优选地，D1可以是D0的大小的至少两倍。
在透镜140、240和340不是半球形的实施例中，反射光的行为可能不同。在上述示例中，透镜140、240和340为半球形，在凸面141、241、341处反射的光在接近入射路径的路径上反射，使得反射光入射到容器孔121、221、321上。在图11所示的替代实施例中，透镜140、240、340可以是椭圆形或抛物线形。考虑到第一子像素100，从容器孔121的中心以与容器孔的法线成小角度发射出的光可以以接近凸面141的法线的角度入射到第一反射器142上。如果被反射，则反射路径接近入射路径，并且光入射到容器孔121。从容器孔121的中心发射出的光(其以与容器孔121的法线成较大角度发射出)可以入射到第二反射器143的一部分上，该部分处，凸面141的曲率半径小于第一反射器141处的曲率半径。光在凸面141上的入射角可导致与入射路径不相似的反射路径，使得反射光入射在凸面上并可被第二次反射。然后，随后的反射光可以入射到容器孔上。
在另一个实施例中，第三子像素300的第三透镜340可以具有与第一和第二子像素100和200的第一透镜140和第二透镜240不同的形状。在实施例中，其中第三容器容积320是空的(而不是包含半透明材料330)，从容器孔321发射出的光线的分布可以不同于从子像素100和200的容器孔发射出的光线分布，其中子像素100和200中容器容积120和220填充有颜色转换材料130和230。例如，对于第一子像素100和第二子像素200具有半球形透镜140和240是合适的，但是对于第三子像素300具有椭圆形或抛物线形透镜340是合适的。
为了简单起见，将仅参考子像素100更详细地描述该实施例的子像素的结构。应当理解，第二子像素200在各个方面都与第一子像素100相似，除了第二颜色转换材料230可以将泵浦光转换为与第一颜色转换材料不同的转换波长之外。
第二反射器143可以由金属制成，使得其反射所有可见光。例如，第二反射器243可以由银或铝制成。第一反射器142的作用类似于带阻滤波器(band stop filter)，使得第一反射器在从下阻带波长(lower stop-band wavelength)到上阻带波长(upper stop-bandwavelength)(λ1)的波长范围内具有阻带(stop-band)，其中基本上所有的光都被第一反射器142反射。第一反射器142的反射率如图12所示。阻带以中心波长(λ0)为中心，使得上阻带波长(λ1)和下阻带波长与中心波长等距。对于短于下阻带波长的波长，第一反射器142具有下通带(lower pass band)，在所述下通带中，光通常透射通过第一反射器141。类似地，对于长于上阻带波长(λ1)的波长，第二反射器142具有上通带(upper pass band)，在所述上通带中，光通常透射穿过第一反射器142。图12示出了中心波长为420nm(λ0)的第一反射器142的反射率，使得下阻带波长小于所绘制的波长范围。点线和短划线示出了第一反射器142对于不同入射角的反射率(点线对应于30°的入射角，短划线对应20°，及点-短划线对应0°)。作为参考，蓝色LED的发射将集中在455nm。
第一反射器142可以包括叠层结构，如GB 1911008.9中所公开并在下文中描述的。该结构如图13所示。第一反射器142包括第一界面层510、多个交替的第一叠层520和第二叠层530，以及第二界面层540。多个交替的第一叠层520和第二叠层530形成第一反射器的中心部分。第一叠层(H)520具有第一折射系数(nH)，第二叠层(L)530具有第二折射系数(nL)，其中第一折射系数高于第二折射系数。第一折射系数高于第二折射系数。在一些实施例中，第一折射系数至少为2，第二折射系数不大于1.8。例如，第一叠层(H)520可以包括折射系数约为2.6的TiO2，第二叠层(L)530可以包括折射系数约为1.5的SiO2。
第一叠层(H)具有第一厚度(tH)，第二叠层(L)具有第二厚度(tL)。每个叠层的厚度是在垂直于各个叠层主表面的方向上测量的厚度。为了调整第一反射器142的反射率特性以反射泵浦光，每一个第一和第二叠层(L)的厚度折射系数乘积为阻带中心波长的四分之一。也就是说，对于第一叠层(H)、第一厚度(tH)和第一折射系数(nH)的乘积等于λ0/4。类似地，对于第二叠层(L)、第二厚度(tL)和第二折射系数(nL)的乘数等于λ0/4。通常，第一叠层(H)520可以具有介于5nm和50nm之间的第一厚度(tH)。第二叠层(L)530可以具有在10nm和100nm之间的第二厚度(tL)。
多个第一叠层(H)520和第二叠层(L)530可以以交替的方式堆叠在彼此的顶部，以形成第一反射器142的中心部分。第一反射器142的中心部分可以由至少三层形成，其中第二叠层(L)530形成中心布置(LHL布置)的外层。在一些实施例中，可以设置至少5个交替层，第二叠层(L)530形成中心布置(LHLHL)的外层。在一些实施例中，可以设置17个交替层，其中第二叠层(L)530形成中心布置(LHL…LHL)的外层。
在第一反射器142的中心部分的相对两侧上，设置了第一和第二界面层510和540。第一界面层510和第二界面层540中的每一个可以包括与第一叠层(H)520相同的材料，因此第一界面层和第二界面层510、540可以具有与第一叠层(H)520相同的折射系数(nL)。第一和第二界面层可以具有各自的第三和第四折射系数(n3、n4)以及各自的第三和第四厚度(t3，t4)。第一和第二界面层的厚度折射系数乘积可以等于泵浦光波长的八分之一(例如，n3t3＝λ0/8)。
当第一反射器142的层(第一叠层520和第二叠层530以及第一和第二界面层510和540)具有取决于光波长的折射系数时，出于本公开的目的，该层的折射系数被认为是该层在第一反射器142的中心波长(λ0)处的折射率。第一反射器142的层的厚度被配置为反射波长为455nm的泵浦光。第一反射器142的中心波长λ0为420nm。
图12中所示的第一反射器142的反射率符合实施例，其中第一反射器的中心部分包括13个交替的SiO2和TiO2叠层(520和530)，以及两个TiO2界面层(510和540)。在具体实施例中，厚度可以如下：
层 物质 厚度(nm)
1 TiO2 20
2 SiO2 71
3 TiO2 40
4 SiO2 71
5 TiO2 40
6 SiO2 71
7 TiO2 40
8 SiO2 71
9 TiO2 40
10 SiO2 71
11 TiO2 40
12 SiO2 71
13 TiO2 40
14 SiO2 71
15 TiO2 20
第一反射器142还可以包括分布式布拉格反射器(Distributed BraggReflector，DBR)。DBR的反射率示例如图14所示。对于具有上述叠层结构的第一反射器142的上通带，反射率可能低于DBR。特别地，对于0°和30°之间的入射角，具有叠层结构的第一反射器142在绿色到红色可见光谱中的反射率低于5％。因此，无论入射角如何，具有叠层结构的第一反射器142(图12和图13)将不会像图14的DBR反射那么多的转换光。因此，与DBR(图14)相比，结合有叠层结构的第一反射器142(图12和13)的绿色或红色LED将更有效地提取转换光。
在一些实施例中，LED阵列10还可以包括转换光反射器叠层。转换光反射器叠层可以设置在子像素100、200的泵浦光LED110、210和颜色转换层之间。可以设置转换光反射器叠层，以通过将转换光朝向透镜140、240的凸面141、241反射来增加从容器容积120、220提取的转换光的比例。转换光反射器叠层还可以被配置为透射在泵浦光LED10、210中产生的泵浦光，从而不会通过将泵浦光反射回泵浦光LED110、210(远离容器容积120、220)而降低LED的整体效率。这样，转换光反射器叠层也可以是被配置为透射泵浦光并反射转换光的带阻滤波器的形式。这样，转换光反射器叠层具有被配置为反射以第二波长为中心的转换光的阻带。在一些实施例中，第二波长可以等于转换光波长，但是在其他实施例中转换光反射器叠层可以被配置为使得，例如，转换光波长落在第二波长和低阻带波长之间。转换光反射器叠层可以包括第三界面层、多个交替的第三和第四反射器层以及第四界面层。第三界面层可以具有第五折射率(n5)和第五厚度(t5)。
多个交替的第三和第四反射器层形成转换光反射器叠层的中心部分。第三反射层(H)具有第六折射系数n6，第四反射层(L)具有第七折射系数n7。第三反射层(H)具有第六厚度t6，第四反射层(L)具有第七厚度t7。第五和第七折射系数低于第六折射系数。在一些实施例中，第六折射系数至少为2，而第五和第七折射系数不大于1.8。例如，第三反射层(H)可以包括TiO2(在420nm处的折射系数约为2.60)，第四反射层(L)可以包括SiO2(在420nm处的折射系数约为1.48)。
为了调整转换光反射器叠层的反射率特性以反射转换光，第三和第四反射器层中的每一个在垂直于发光表面111的方向上具有厚度折射系数乘积，使得转换光反射器叠层的阻带被配置为反射转换光。例如，在一些实施例中，厚度折射系数乘积可以被选择为等于相应颜色转换材料的转换光波长的四分之一。例如，在颜色转换材料被配置为将泵浦光转换为波长为610nm的转换光的实施例中，每个第三反射器层(H)的厚度可以约为58nm，每个第四反射器层(L)的厚度可以为101nm。
在转换光反射器叠层的层(即第三和第四反射器层以及第三和和第四界面层)具有取决于光波长的折射系数的情况下，出于本公开的目的，该层的折射系数被认为是该层在转换光反射器叠层的第二波长(中心波长)处的折射系数。多个第四反射层(L)和多个第三反射层(H)以交替的方式堆叠在彼此的顶部上，以形成转换光反射器叠层的中心部分。转换光反射器叠层的中心部分可以由至少3层形成，其中第三反射器层(H)形成中心部分的外层(HLH布置)。在一些实施例中，可以设置至少5个交替层(HLHLH)。在示例中，中心部分包括19个交替层(HLH…HLH)。
在转换光反射器叠层的中心部分的相对两侧上，设置了第三和第四界面层。每一个第三和第四界面层可以包括与第三反射器叠层相同的材料(即，第三和第四界面层可以具有与第三折射系数相同的折射系数)。第三和第四界面层可以具有等于中心波长的八分之一的厚度折射系数乘积。
在一些实施例中，可仅为包含颜色转换材料130、230的子像素设置转换光反射器叠层。可替代地，可设置转换光反射器叠层以覆盖每个泵浦光LED110、210、310的所有发光表面111、211、311。通过在所有泵浦光LED110、210、310上设置转换光反射器叠层，可以以减少的图案化步骤形成转换光反射器叠层，从而使LED阵列更有效地制造。
在一些实施例中，可以在第一反射器142、242上方设置防反射层。防反射层被配置为减少在第一反射器142、242的第二界面层与像素10的外部环境(通常为空气)之间的界面处的转换光的反射。在一些实施例中，防反射层包括折射系数小于第一反射器142、242的第二界面层的折射系数的材料。例如，防反射层可以包括折射系数低于1.6的材料。例如，防反射层可以包括SiO2。在一些实施例中，防反射层的厚度为转换光波长的四分之一。这样，防反射层的厚度可以被配置为减少由第一反射器142、242透射的转换光的反射。因此，可以设置防反射层以进一步提高LED的转换光提取效率。
在上述实施例中，内侧壁122垂直于容器表面421。例如，对于圆形容器孔121，容器容积120将为圆柱形。在替代实施例中，内侧壁122可以倾斜，使得容器孔121的面积大于从泵浦光LED110的发光表面111发射的光进入容器容积120处的容器容积120一侧的面积。内侧壁122和发光表面111之间的角度可以是锐角。图15中示出了一个示例，为简化起见，未显示透镜140。如前所述，容器孔121可以是任何规则或不规则多边形，内侧壁122的数量可以等于内侧壁122数量。例如，容器容积的形状可以类似于截头倒圆锥体或截头倒四角锥。
具有容器容积120、220、320(其具有倾斜内侧壁122、222、322)的子像素可以具有增加的光学效率，因为入射到内侧壁122和222、222上并被反射的光的更大部分可以被引导到容器孔121、221、321。倾斜的内侧壁122、222、322还将导致子像素阵列的间距更大，因此显示分辨率更低，因为容器孔121、221、321必须大于泵浦光LED110、210、310的发光表面111、211、311。因此，内侧壁122、222、322相对于容器表面421的法线的角度是增加的光学效率和降低的显示分辨率之间的折衷。在一些实施例中，每个容器容积120、220、320的内侧壁122、222、322可以相对于容器表面421的法线以至少35°的角度倾斜。通过设置至少35°的角度，每个容器孔121、221、321的面积可以使得LED阵列的像素间距不会变得过大。在一些实施例中，每个容器容积120、220、320的侧壁122、222、322可以相对于容器表面421的法线以不大于85°的角度倾斜。在一些实施例中，设置具有不大于85°或不大于60°的角度的内侧壁122、222、322可以提高LED的光学效率，因为更大比例的转换光可以被引导到容器孔121、221、321，322。如上所述，内侧壁122、222、322可以是反射光的，使得入射到内侧壁122、222、222上的较大比例的光将被反射回容器容积120、220、320(相对于光吸收性侧壁)。因此，可以从LED提取从颜色转换材料的所有方向上产生的更大比例的转换光。在容器层420不是由金属制成的情况下，内侧壁122、222、322可以涂覆有如薄膜金属的反射材料，例如，Al或Ag。
图16示出了包括阵列中的九个子像素的本公开实施例的平面图，其中容器孔121、221、321是正方形的，透镜140、240、340的横截面是圆形的。该阵列可以包括多于或少于九个子像素。在一个实施例中，显示器可以包括像素10，每个像素10包括红色的第一子像素100、绿色的第二子像素200和蓝色的第三子像素300。在其他实施例中，子像素的颜色可以不同。在一个实施例中，像素10可以是单色的，并且可以包括具有蓝色泵浦光LED和相同颜色转换材料的多个子像素。
参考图17，根据本公开实施例的像素10的制造方法可以如下。容器层420，例如铝，可以沉积在蓝色LED的LED晶片上(图17A)。沉积可以是蒸发法或物理气相沉积。然后，可以使用硬掩模图案通过干法蚀刻对容器层420进行图案化，以获得容器容积(图17B)。容器容积可填充有颜色转换材料(用于红色和绿色子像素)或半透明材料(用于蓝色像素)。这可以使用纳米印刷方法或通过光刻来实现，其中颜色转换材料或半透明材料与可光定义的矩阵材料混合。平面化步骤去除多余的材料。填充的容器容积如图17C所示。然后可以使用纳米压印光刻(nano imprint lithography，NIL)制造圆顶透镜(图17D)。
反射器层可以以几种方式增加。结果如图18所示，图18示出了第一子像素100的透镜140和反射器142、143。在第一方法中，使用蒸发法对所有圆顶透镜进行部分金属化(以形成包括反射器孔的第二、第四和第五反射器)。然后使用原子层沉积将叠层反射器(透射转换光并反射泵浦光的第一和第三反射器)应用于除蓝色子像素之外的所有子像素。如图18A所示，这导致第二反射器位于透镜和第一反射器之间。在第二种方法中，首先沉积叠层反射器，然后将透镜部分金属化。如图18B所示，这导致第一反射器142位于透镜140和第二反射器143之间。当通过使用掩模或在沉积后蚀刻掉沉积层来沉积叠层反射器时，可以省略第三子像素(蓝色)。第一和第二子像素(红色和绿色)的圆顶透镜可以被完全覆盖。在另一个实施例中，叠层反射器可以仅设置在金属化反射器的反射器孔中，如图18C所示，使得第一和第二子像素的圆顶透镜被叠层反射器部分地覆盖。在另一个实施例中，圆顶透镜可以部分地被覆盖在叠层反射器中，使得叠层反射器和金属化反射器之间存在重叠，该重叠可以是有限的，但小于图18A或18B中所示的重叠。

Claims (25)

1.一种像素，包括第一子像素，其中所述第一子像素包括：
LED层，其包括发光材料，所述发光材料被配置为从发光表面发射泵浦光，所述泵浦光具有泵浦波长；
容器层，其具有容器表面，所述容器表面包括第一容器孔，所述第一容器孔限定延伸穿过所述容器层的第一容器容积；
第一颜色转换层，其设置在所述第一容器容积中并被配置为接收来自所述LED层的所述发光表面的光，其中所述第一颜色转换材料包括第一颜色转换材料，所述第一颜色转换材料被配置为吸收所述泵浦波长的光并发射第一转换波长的第一转换光；
第一透镜，其设置在所述容器层上的所述第一容器孔上方，包括与所述颜色转换层相邻的内侧和外侧，其中所述外侧包括第一凸面；
第一反射器组件，其与所述第一透镜的外侧相邻并符合所述第一凸面，所述第一反射器组件包括：
第一反射器，其被配置为反射所述泵浦波长的光并透射第一转换波长的光；以及
第二反射器，其被配置为反射所述泵浦波长的光和所述第一转换波长的光；
其中所述第二反射器包括第一子像素反射器孔，并且其中所述第一反射器填充所述第一子像素反射器孔。
2.根据权利要求1所述的像素，还包括第二子像素，其中所述第二子象素包括：
LED层，其包括发光材料，所述发光材料被配置为从发光表面发射泵浦光，所述泵浦光具有所述泵浦波长；
容器层，其具有容器表面，所述容器表面包括第二容器孔，所述第二容器孔限定延伸穿过所述容器层的第二容器容积；
第二颜色转换层，其设置在所述第二容器容积中并被配置为接收来自所述LED层的发光表面的光，其中所述第二颜色转换层包括第二色转换材料，所述第二色转换材料被配置为吸收所述泵浦波长的光并发射第二转换波长的第二转换光；
第二透镜，其设置在所述容器层上的所述第二容器孔上方，包括与所述颜色转换层相邻的内侧和外侧，其中所述外侧包括第二凸面；
第二反射器组件，其与所述第二透镜的外侧相邻并符合所述第二凸面，所述第二反射器组件包括：
第三反射器，其被配置为反射所述泵浦波长的光并透射所述第二转换波长的光；以及
第四反射器，其被配置为反射所述泵浦波长的光和所述第二转换波长的光；
其中，所述第四反射器包括第二子像素反射器孔，并且其中所述第三反射器填充所述第二子像素反射器孔。
3.根据前述权利要求中任一项所述的像素，还包括发射所述泵浦波长的光的第三子像素，其中所述第三子象素包括：
LED层，其包括发光材料，所述发光材料被配置为从发光表面发射泵浦光，所述泵浦光具有所述泵浦波长；
容器层，其具有容器表面，所述容器表面包括第三容器孔，所述第三容器孔限定穿过所述容器层延伸的第三容器容积；
透镜，其设置在所述容器层上的所述第三容器孔上方，包括与所述容器层相邻的内侧和外侧，其中所述外侧包括第三凸面；
第三反射器组件，其与所述第三透镜的外侧相邻并符合所述第三凸面，所述第三反射器组件包括：
第五反射器，其被配置为反射泵浦光，其中所述第五反射器包括第三子像素反射器孔。
4.根据权利要求1所述的像素，其中所述第一反射器的中心轴线和所述第二反射器的中心轴线与所述凸面的中心轴线对齐。
5.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述第一反射器和所述第三反射器中的一者或两者包括叠层结构。
6.根据权利要求5所述的像素，其中所述第一反射器和所述第三反射器中的一者或两者包括折射系数较高和较低的交替层。
7.根据权利要求6所述的像素，其中所述第一反射器和所述第三反射器中的一者或两者包括多个TiO2层和SiO2层。
8.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述第一反射器和所述第三反射器中的一者或两者包括分布式布拉格反射器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述第二反射器、第四反射器和第五反射器中的至少一个包括金属材料。
10.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述第一容器容积、第二容器容积和第三容器容积中的至少一个包括反射性内侧壁。
11.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中，所述第一容器孔、第二容器孔和第三容器孔中的至少一个的面积至少等于所述LED层的发光表面的面积。
12.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述第一容器容积、第二容器容积和第三容器容积中的至少一个的内侧壁相对于所述LED层的发光表面的法线形成至少35°且不大于85°，或优选地不大于60°的角度。
13.根据权利要求12所述的像素，其中所述第一容器孔、第二容器孔和第三容器孔中的至少一个是圆形的，使得相应的容器容积类似于截头倒圆锥体，或者其中所述第一容器孔、第二容器孔或第三容器孔中的至少一个是矩形的，使得相应的容器容积类似于截头倒四角锥。
14.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述第一透镜、第二透镜和第三透镜中的至少一个是半球形的。
15.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述第一凸面、第二凸面和第三凸面中的至少一个是椭圆形或抛物线形。
16.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述透镜的特征尺寸是所述容器层的平面中的所述孔的特征尺寸的至少两倍大。
17.根据前述权利要求中任一项所述的像素，还包括在所述LED层和所述颜色转换层之间的界面处的转换光反射器叠层。
18.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中透射通过所述第一反射器和所述第三反射器中的一者或两者的所述转换波长的光的全宽半最大值小于60°，或优选地小于50°。
19.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述第一反射器和所述第三反射器中的一者或两者对所述泵浦波长的光的反射率大于95％，或优选地为100％。
20.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述第一反射器和所述第三反射器中的一者或两者对所述转换波长的光的反射率小于10％，或优选地小于5％。
21.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述转换波长长于所述泵浦波长。
22.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述第一颜色转换材料和所述第二颜色转换材料中的一者或两者包括量子点材料。
23.根据前述权利要求中任一项所述的像素，其中所述泵浦波长是蓝色的，并且所述第一转换波长是包括红色和绿色的颜色组中的第一颜色。
24.根据权利要求23所述的像素，当权利要求23引用权利要求2或任何引用权利要求2的权利要求时，其中所述第二转换波长是所述颜色组中的第二颜色。
25.根据权利要求3所述的像素，其中所述第三子像素的所述容器容积填充有半透明材料。
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