CN115989589A - 使用金属纳米粒子的等离子体散射增强微型led的光耦出 - Google Patents

使用金属纳米粒子的等离子体散射增强微型led的光耦出 Download PDF

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Abstract

一种微型发光二极管(Micro‑light Emitting Diode，微型LED)包括：衬底；台面结构，该台面结构包括形成在该衬底上的多个半导体层；以及绝缘材料层，该绝缘材料层位于该台面结构的侧壁上。该台面结构包括被配置为发出第一波长的光的发光区。该绝缘材料层包括透明绝缘材料和浸入该透明绝缘材料中的金属纳米粒子。该透明绝缘材料和该金属纳米粒子被配置为，使得第一波长的光的等离子体散射回该台面结构中，使得第一波长的光可以在该台面结构中随机化，从而提高该微型LED的光提取效率和外部量子效率。

Description

使用金属纳米粒子的等离子体散射增强微型LED的光耦出
技术领域
本公开总体上涉及微型发光二极管(Micro-Light Emitting Diode，Micro-LED，微型LED)，具体涉及用于提高微型LED的光耦出效率(light out-coupling efficiency)的技术。
背景技术
发光二极管(LED)将电能转换成光能，并且提供优于其它光源的许多益处，诸如尺寸缩小、耐久性提高且效率增大。LED在许多显示系统中可以用作光源，这些显示系统诸如电视机、电脑监视器、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、投影系统和可穿戴电子装置。基于III-V族半导体(诸如AlN、GaN、InN、GaAs的合金、四元磷化物组合物(quaternaryphosphide composition)(例如，AlGaInP)等)的微型LED(μLED)由于其小尺寸(例如，线性尺寸小于100μm、小于50μm、少于10μm或小于5μm)、高封装密度，较高分辨率和高亮度，已经开始发展应用于各种显示应用。例如，发出不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)光的微型LED可以用于形成显示系统的子像素，该显示系统诸如电视机或近眼显示系统。
发明内容
本发明总体上涉及微型发光二极管(微型LED)。更具体地，本公开涉及提高光从微型LED进入例如显示系统并且最终进入用户眼睛的外耦合(out-coupling)效率。本文描述了各种发明实施例，这些实施例包括装置、系统、方法、材料、工艺等。
根据本公开的第一方面，提供了一种微型发光二极管，该微型发光二极管包括：衬底；台面结构，该台面结构包括形成在该衬底上的多个半导体层，该台面结构包括被配置为发出第一波长的光的发光区；以及绝缘材料层，该绝缘材料层位于台面结构的侧壁上，该绝缘材料层包括：透明绝缘材料；以及金属纳米粒子，该金属纳米粒子浸入该透明绝缘材料中，其中，该透明绝缘材料和该金属纳米粒子被配置为，使得该第一波长的光与该金属纳米粒子相互作用，以引起该金属纳米粒子上的表面等离子体共振。
在该微型LED的一些实施例中，该金属纳米粒子可以包括贵金属纳米粒子或铜纳米粒子。在一些实施例中，该金属纳米粒子可以包括纳米球、纳米棒、纳米笼或纳米壳。在一些实施例中，该金属纳米粒子可以具有大于约50nm的线性尺寸。在一些实施例中，该金属纳米粒子可以具有大于约100nm的线性尺寸。在一些实施例中，该金属纳米粒子可以涂覆有非导电材料层，该非导电材料层形成该金属纳米粒子的壳。在一些实施例中，该透明绝缘材料可以包括氧化硅、氮化硅、氧化铝或硅树脂。在一些实施例中，该绝缘材料层的特性可以在于，对于该第一波长的光，散射与总消光的比率大于50％。
在一些实施例中，该微型LED还可以包括透明钝化层，该透明钝化层位于该台面结构的侧壁与该绝缘材料层之间。在一些实施例中，该透明钝化层可以包括氧化硅或氮化硅。在一些实施例中，该台面结构的侧壁可以包括竖直侧壁、向内倾斜的侧壁、向外倾斜的侧壁、圆锥形侧壁或抛物线侧壁。在一些实施例中，该台面结构可以具有小于50μm、小于20μm或小于10μm的横向线性尺寸。在一些实施例中，该台面结构可以包括n型半导体层和p型半导体层；并且该发光区可以位于该n型半导体层和该p型半导体层之间。在一些实施例中，该微型LED还可以包括回归反射器，该回归反射器位于该台面结构上，其中，该回归反射器可以包括金属接触层。在一些实施例中，该微型LED还可以包括微透镜，该微透镜被配置为将第一波长的光自该微型发光二极管耦出。在一些实施例中，该微透镜可以位于该衬底上。在一些实施例中，第一波长的光可以包括红光、绿光或蓝光。
根据本公开的第二方面，提供了一种微型发光二极管阵列，该微型发光二极管阵列包括：衬底；多个台面结构，该多个台面结构位于该衬底上，该多个台面结构中的每个台面结构包括被配置为发出第一波长的光的发光区；以及绝缘材料，该绝缘材料位于该多个台面结构之间，该绝缘材料包括：透明绝缘材料；以及金属纳米粒子，该金属纳米粒子分散在该透明绝缘材料中；其中，该透明绝缘材料和该金属纳米粒子被配置为，使得第一波长的光与该金属纳米粒子相互作用，以引起该金属纳米粒子上的表面等离子体共振。
在该微型LED阵列的一些实施例中，该金属纳米粒子可以包括贵金属纳米粒子或铜纳米粒子。在一些实施例中，该金属纳米粒子可以包括纳米球、纳米棒、纳米笼或纳米壳等。在一些实施例中，该绝缘材料层的特性可以在于，对于第一波长的光，散射与总消光的比率大于50％。在一些实施例中，该透明绝缘材料可以包括氧化硅、氮化硅、氧化铝或硅树脂。在一些实施例中，该金属纳米粒子可以具有大于约50nm或大于约100nm的线性尺寸。在一些实施例中，该金属纳米粒子可以涂覆有非导电材料层，该非导电材料层形成该金属纳米粒子的壳。在一些实施例中，该绝缘材料层的特性可以在于，对于第一波长的光，散射与总消光的比率大于50％。
将理解的是，本文中描述的适合于并入本公开的一个或多个方面或实施例中的任何特征旨在通用于本公开的任意和所有方面和实施例中。本发明内容既不旨在确认所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或全部附图以及每条权利要求来理解该主题。在说明书、权利要求书和附图中，将对前述内容连同其它特征和示例进行更详细地描述。上述总体描述和以下详细描述仅是示例性和说明性的，而不是对权利要求的限制。
附图说明
下面参考以下附图详细描述说明性实施例。
图1是根据某些实施例的包括近眼显示器的人工现实系统环境的示例的简化框图。
图2是用于实施本文公开的多个示例中的一些示例的头戴式显示(Head-mountedDisplay，HMD)装置形式的近眼显示器的示例的立体图。
图3是用于实施本文公开的多个示例中的一些示例的一副眼镜形式的近眼显示器的示例的立体图。
图4示出了根据某些实施例的包括波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。
图5A示出了根据某些实施例的包括波导显示器的近眼显示装置的示例。
图5B示出了根据某些实施例的包括波导显示器的近眼显示装置的示例。
图6示出了根据某些实施例的增强现实系统中的图像源组件的示例。
图7A示出了根据某些实施例的具有竖直台面结构的发光二极管(LED)的示例。
图7B是根据某些实施例的具有抛物线台面结构的LED示例的截面图。
图8示出了包括微型LED阵列和用于从微型LED阵列提取光的微型透镜阵列的装置的示例。
图9A示出了具有台面结构和金属镜的微型LED的示例。
图9B示出了在台面侧壁处包括金属镜的微型LED阵列的示例。
图10示出了根据某些实施例的在台面侧壁处包括用于使有源区中生成的光散射的金属纳米粒子的微型LED阵列的示例。
图11示出了由光波激发的金属纳米粒子的局部表面等离子体共振的示例。
图12A示出了不同尺寸的金属纳米粒子针对不同波长的光的消光效率的示例。
图12B示出了不同尺寸的金属纳米粒子针对不同波长的光的散射效率的示例。
图13A示出了不同尺寸的金属纳米粒子针对不同波长的光的散射截面的示例。
图13B示出了不同尺寸的金属纳米粒子的散射与总消光的比率(反照率)的示例。
图14示出了金属纳米粒子在不同周围介质中的散射截面的示例。
图15示出了根据某些实施例的在台面侧壁处包括用于使有源区中生成的光散射的金属纳米粒子的微型LED的示例。
图16A示出了根据某些实施例的用于LED阵列的裸片与晶圆结合的方法的示例。
图16B示出了根据某些实施例的用于LED阵列的晶圆与晶圆结合的方法的示例。
图17A至图17D示出了根据某些实施例的用于LED阵列的混合结合的方法的示例。
图18示出了根据某些实施例的其上制造有次级光学部件的LED阵列的示例。
图19是根据某些实施例的近眼显示器的示例的电子系统的简化框图。
仅出于说明的目的，附图描绘了本公开的实施例。本领域技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本公开的原理或本公开中所披露的权益的情况下，可以采用所示出的结构和方法的替代实施例。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的参考标记。此外，同一类型的各种部件可以通过在参考标记后跟随连接号和区分多个相似部件的第二标记来区分。如果说明书中仅使用了第一参考标记，则该描述可适用于具有相同第一参考标记的多个类似部件中的任何一个部件，而不考虑第二参考标记。
具体实施方式
本公开总体上涉及微型发光二极管(微型LED)。更具体地，但不限于，本文公开了用于提高微型LED的光耦出效率的技术。本文描述了各种发明实施例，这些实施例包括装置、系统、方法、材料、工艺等。
在基于微型LED的显示系统中，从微型LED或微型LED阵列发出的光可以耦合到显示器(例如，波导显示器)中，以向用户的眼睛传递图像。在LED中，光子通常通过有源区(例如，一个或多个半导体层)内的电子和空穴的复合以一定的内部量子效率(InternalQuantum Efficiency，IQE)生成，其中，内部量子效率是发射光子的有源区中的电子-空穴复合的比例。然后，可以以光提取效率(Light Extraction Efficiency，LEE)从LED提取所生成的光，例如，在特定方向上或在特定立体角内。从LED提取的发射光子的数量与通过LED的电子的数量之间的比率被称为外部量子效率(External Quantum Efficiency，EQE)，该外部量子效率描述了LED如何有效地将注入的电子转换为从LED提取的光子。由于显示系统的视场和/或出射光瞳(或视窗(eyebox))有限，因此所提取的光的仅位于特定立体角内的部分可以耦合到波导中并且最终到达用户的眼睛。基于微型LED的显示系统的总效率可以取决于每个微型LED的外部量子效率、来自微型LED的显示光进入波导的耦入效率以及来自波导的显示光朝向用户眼睛的耦出效率。对于LED，特别是具有缩小的物理尺寸的微型LED，内部量子效率和外部量子效率可能是低的，提高LED的效率可能存在挑战。
根据某些实施例，包括台面结构的微型LED可以包括光偏转器，该光偏转器由浸在台面结构的侧壁处的绝缘基质中的金属纳米粒子形成。由于表面等离子体共振，金属纳米粒子可以使由微型LED的发光区生成的入射光散射。纳米粒子的材料、尺寸和形状以及绝缘基质的材料可以被选择为，使得纳米粒子的表面等离子体共振的共振频率与由微型LED的发光区发出的光的频率匹配，以引起所发出的入射在纳米粒子上的光的强烈的消光(吸收和散射)。因此，所发出的入射在微型LED的侧壁上的光可以被散射，以引起光再混合，而不是自微型LED镜面反射或反射回到微型LED中。如此，可以增大微型LED的光提取效率。因此，可以提高微型LED的总外部量子效率。
本文描述的微型LED可以与诸如人工现实系统的各种技术结合使用。人工现实系统(诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示(HUD)系统)通常包括被配置为呈现描绘虚拟环境中的对象的人工图像的显示器。诸如在虚拟现实(Virtual Reality，VR)应用、增强现实(Augmented Reality，AR)应用或混合现实(Mixed Reality，MR)应用中，显示器可以呈现虚拟对象或将真实对象的图像与虚拟对象组合。例如，在AR系统中，用户可以通过例如透过透明显示眼镜或透镜(通常被称为光学透视)观看或观看由摄像头采集的周围环境的显示图像(通常被称作视频透视)来观看虚拟对象(例如，计算机生成的图像(Computer-generatedImage，CGI))和周围环境的显示图像。在一些AR系统中，可以使用基于LED的显示子系统将人工图像呈现给用户。
如本文所使用的，术语“发光二极管(LED)”指包括至少一个n型半导体层、p型半导体层和位于n型半导体层和p型半导体层之间的发光区(即，有源区)的光源。发光区可以包括形成一个或多个异质结构(诸如量子阱)的一个或多个半导体层。在一些实施例中，发光区可以包括形成一个或多个多量子阱(Multiple-quantum-well，MQW)的多个半导体层，每个MQW包括多个(例如，约2到6个)量子阱。
如本文中所使用的，术语“微型LED”或“μLED”指具有芯片的LED，其中，芯片的线性尺寸小于约200μm，诸如小于100μm、小于50μm、小于20μm、小于10μm或更小。例如，微型LED的线性尺寸可以小到6μm、5μm、4μm、2μm或更小。一些微型LED的线性尺寸(例如，长度或直径)可以与少数载流子扩散长度相当。然而，本文所公开的不限于微型LED，也可以应用于迷你LED和大型LED。
如本文中所使用的，术语“结合(邦定)”可以指用于物理和/或电连接两个或更多个装置和/或晶圆的各种方法，这些方法诸如粘合剂结合、金属与金属结合、金属氧化物结合、晶圆与晶圆结合、裸片与晶圆结合、混合结合、焊接、凸块下金属化等。例如，粘合剂结合可以使用可固化的粘合剂(例如，环氧树脂)，以通过粘合使两个或更多个装置和/或晶圆物理地结合。金属与金属结合可以包括例如使用焊接接口(例如，焊盘或球)、导电粘合剂或金属之间的焊接接头有线结合或倒装芯片结合。金属氧化物结合可以在每个表面上形成金属和氧化物图案，将氧化物部分结合在一起，然后将金属部分结合在一起以形成导电路径。晶圆与晶圆结合可以在没有任何中间层的情况下使两个晶圆(例如，硅晶圆或其它半导体晶圆)结合，并且基于两个晶圆的表面之间的化学键合。晶圆与晶圆结合可以包括晶圆清洁和其它预处理、在室温下的对准和预结合、以及在升高的温度(诸如，约250℃或更高)下的退火。裸片与晶圆结合可以使用一个晶圆上的凸块来使预形成的芯片的特征与晶圆的驱动器对准。混合结合可以包括例如晶圆清洁、一个晶圆的接触物与另一个晶圆的接触物的高精度对准、晶圆内的介电材料在室温下的电介质结合、以及接触物通过例如在250-300℃或更高的温度下的退火的金属结合。如本文中所使用的，术语“凸块”总体可以指在结合期间使用或形成的金属互连件。
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以提供对本公开的示例的全面理解。然而，将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下来实践各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其它部件可以被示出为框图形式的部件，以免在不必要的细节中模糊这些示例。在其它情况下，为了避免模糊这些示例，可能在没有必要细节的情况下示出了众所周知的装置、过程、系统、结构和技术。这些附图和描述不旨在是限制性的。在本公开中已使用的术语和表达均用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表达时无意排除所示出和描述的特征或该特征中的一部分的任何等同物。“示例”一词在本文中用于表示“作为示例、实例或说明”。本文中描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为比其它实施例或设计更优选或有优势。
图1是根据某些实施例的包括近眼显示器120的人工现实系统环境100的示例的简化框图。图1所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120、可选的外部的成像装置150和可选的输入/输出接口140，这些中每个可以耦接到可选的控制台110。尽管图1示出了人工现实系统环境100包括一个近眼显示器120、一个外部的成像装置150和一个输入/输出接口140的示例，但是人工现实系统环境100中可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略这些部件中的任意部件。例如，可以存在多个近眼显示器120，这些近眼显示器被与控制台110通信的一个或多个外部成像装置150监控。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括外部的成像装置150、可选的输入/输出接口140和可选的控制台110。在替代配置中，不同的部件或附加的部件可以包括在人工现实系统环境100中。
近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。近眼显示器120所呈现的内容的示例包括图像、视频、音频或它们的任意组合中的一者或多者。在一些实施例中，音频可以经由外部装置(例如，扬声器和/或耳机)来呈现，该外部装置接收来自近眼显示器120、控制台110或来自这两者的音频信息，并且基于该音频信息呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或多个刚性体，该一个或多个刚性体可以刚性地或非刚性地彼此耦接。多个刚性体之间的刚性耦接可以使耦接的刚性体作为单个刚性实体。多个刚体之间的非刚性耦接可以允许多个刚性体相对于彼此运动。在各种实施例中，近眼显示器120可以以任意合适的形状要素(包括一副眼镜)实现。近眼显示器120的一些实施例在下面参照图2和图3进一步描述。此外，在各种实施例中，本文描述的功能可以用于头戴式视图器(headset)中，该头戴式视图器将近眼显示器120外部环境的图像与人工现实内容(例如，计算机生成的图像)相结合。因此，近眼显示器120可以使用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)对近眼显示器120外部的物理的、真实世界环境的图像进行增强，以向用户呈现增强现实。
在各种实施例中，近眼显示器120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛追踪单元130中的一者或多者。在一些实施例中，近眼显示器120还可以包括一个或多个定位器126、一个或多个位置传感器128和惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)132。近眼显示器120可以省略眼睛追踪单元130、定位器126、位置传感器128和IMU 132中的任意一者，或者在各种实施例中包括附加元件。此外，在一些实施例中，近眼显示器120可以包括结合有结合图1描述的各种元件的功能的元件。
显示电子器件122可以根据接收到的例如来自控制台110的数据，向用户显示图像或促进图像的显示。在各种实施例中，显示电子器件122可以包括一个或多个显示面板，该一个或多个显示面板诸如液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)显示器、无机发光二极管(Inorganic LightEmitting Diode，ILED)显示器、微型发光二极管(μLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(Active-matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED)、透明OLED显示器(Transparent Organic Light Emitting Diode，TOLED)或一些其它显示器。例如，在近眼显示器120的一个实施方式中，显示电子器件122可以包括前TOLED面板、后显示面板以及位于前显示面板和后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器或衍射膜或光谱膜)。显示电子器件122可以包括发出主要颜色(诸如，红色、绿色、蓝色、白色或黄色)的光的像素。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过由二维面板产生的立体效果来显示三维(Three-dimensional，3D)图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括分别位于用户的左眼前方和右眼前方的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平移动的图像的副本，以创建立体效果(即，观看图像的用户对图像深度的感知)。
在某些实施例中，显示光学器件124可以光学地(例如，使用光学波导和耦合器)显示图像内容，或者放大接收到的来自显示电子器件122的图像光，校正与该图像光相关联的光学误差，并且向近眼显示器120的用户呈现经校正的图像光。在各种实施例中，显示光学器件124可以例如包括一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件诸如衬底、光波导、光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、输入/输出耦合器、或可以影响从显示电子器件122发出的图像光的任何其它合适的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件的组合以及机械耦接，以保持这些光学元件在该组合中的相对间距和取向。显示光学器件124中的一个或多个光学元件可以具有光学涂层，该光学图层诸如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。
显示光学器件124对图像光的放大可以允许显示电子器件122与更大的显示器相比，在物理上更小、重量更小并且消耗更少的功率。此外，放大可以增大所显示内容的视场。可通过调整、增加或移除来自显示光学器件124的光学元件，改变显示光学器件124对图像光放大量。在一些实施例中，显示光学器件124可以将所显示的图像投射到可能比近眼显示器120更远离用户的眼睛的一个或多个图像平面。
显示光学器件124还可以被设计为校正一种或多种类型的光学误差，这些光学误差诸如二维光学误差、三维光学误差或它们的任意组合。二维误差可以包括在二维中出现的光学像差。二维误差的示例类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括在三维中出现的光学误差。三维误差的示例类型可以包括球面像差、彗形像差、场曲率和像散。
定位器126可以是位于近眼显示器120上的彼此相关并且与近眼显示器120上的参考点相关的特定位置中的对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由外部成像装置150采集的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴式视图器的位置、取向或这两者。定位器126可以是LED、隅角立方反射器(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示器120在其中运行的环境形成对比的一类型的光源、或它们的任意组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其它类型的发光装置)的实施例中，定位器126可以发射可见波段(例如，约380nm到750nm)中的光、红外(Infrared，IR)波段(例如，约750nm到1mm)中的光、紫外波段(例如，约10nm到约380nm)中的光、电磁频谱的另一部分中的光或电磁频谱的多个部分的任意组合中的光。
外部的成像装置150可以包括一个或多个摄像头、一个或多个摄像机、能够采集包括多个定位器126中的一个或多个定位器的图像的任何其它装置或它们的任意组合。此外，外部的成像装置150可以包括一个或多个滤波器(例如，以增加信噪比)。外部的成像装置150可以被配置为检测从外部的成像装置150的视场中的定位器126发出或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，回射器)的实施例中，外部的成像装置150可以包括照亮定多个位器126中的一些或全部定位器的光源，这些定位器可以将光回归反射到外部的成像装置150中的光源。可以从外部成像装置150向控制台110传送慢速校准数据，并且外部的成像装置150可以接收来自控制台110的一或多个校准参数，以调整一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧率、传感器温度、快门速度、光圈等)。
位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动，生成一个或多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其它运动检测传感器或误差校正传感器或它们的任意组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括用于测量平移运动(例如，向前/向后、向上/向下、或向左/向右)的多个加速度计和用于测量转动运动(例如，俯仰、偏转或翻滚)的多个陀螺仪。在一些实施例中，各个位置传感器可以彼此正交地定位。
IMU 132可以是基于接收到的来自多个位置传感器128中的一个或多个位置传感器的测量信号生成快速校准数据的电子装置。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU132的内部或它们的任意组合。基于来自一个或多个位置传感器128的一个或多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示近眼显示器120的、相对于近眼显示器120的初始位置的估计位置。例如，IMU 132可以随时间对接收到的来自加速度计的测量信号进行积分以估计速度矢量，并且随时间对该速度矢量进行积分以确定近眼显示器120上的参考点的估计位置。替代地，IMU 132可以向控制台110提供采样的测量信号，该控制台可以确定快速校准数据。尽管可以将参考点笼统地定义为空间中的点，但是在各种实施例中，也可以将参考点定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。
眼睛追踪单元130可以包括一个或多个眼睛追踪系统。眼睛追踪可以指确定眼睛相对于近眼显示器120的定位，该定位包括眼睛的取向和位置。眼睛追踪系统可以包括用于对一只或多只眼睛进行成像的成像系统，并且可以可选地包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统采集。例如，眼睛追踪单元130可以包括非相干光源或相干光源(例如，激光二极管)和摄像头，该非相干光源或相干光源发出可见光谱或红外光谱中的光，该摄像头采集由用户的眼睛反射的光。作为另一示例，眼睛追踪单元130可以采集由微型雷达单元发出的被反射的无线电波。眼睛追踪单元130可以使用低功率光发射器，这些低功率光发射器以不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度发出光。眼睛追踪单元130可以被布置为增加由眼睛追踪单元130采集的眼睛的图像中的对比度，同时减小被眼睛追踪单元130消耗的总功率(例如，减小被包括在眼睛追踪单元130中的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛追踪单元130可以消耗小于100毫瓦的功率。
近眼显示器120可以使用眼睛的取向来例如，确定用户的瞳孔间距离(Inter-pupillary Distance，IPD)，确定注视方向，引入深度线索(depth cue)(例如，用户主视线之外的模糊图像)，收集关于VR媒体中的用户交互的启发方法(例如，花费在任何特定主题、对象或帧上的时间随遭受的刺激的变化)，部分基于用户双眼中的至少一只眼睛的取向的一些其它功能，或它们的任意组合。因为可以确定用户双眼的取向，所以眼睛追踪单元130可以能够确定用户正在看向哪里。例如，确定用户的注视方向可以包括：基于所确定的用户左眼和右眼的取向，确定会聚点。会聚点可以是用户双睛的两个视网膜中央轴线相交的点。用户的注视方向可以是穿过会聚点以及用户双眼的瞳孔之间的中点的线的方向。
输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的装置。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以启动或结束应用程序或在应用程序内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或多个输入装置。示例性输入装置可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并且将所接收的动作请求向控制台110传送的任何其它合适的装置。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，该控制台可以执行与所请求的动作相对应的动作。在一些实施例中，输入/输出接口140可以根据接收到的来自控制台110的指令，向用户提供触觉反馈。例如，输入/输出接口140可以在动作请求被接收时，或者当控制台110已经执行了所请求的动作并且向输入/输出接口140传送指令时，提供触觉反馈。在一些实施例中，外部的成像装置150可以用于追踪输入/输出接口140，诸如追踪控制器(该控制器可以包括例如IR光源)的定位或位置或用户的手的定位或位置，以确定用户的运动。在一些实施例中，近眼显示器120可以包括一个或多个成像装置以追踪输入/输出接口140，诸如追踪控制器的定位或位置或用户的手的定位或位置，以确定用户的运动。
控制台110可以根据接收到的来自外部的成像装置150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一者或多者的信息，向近眼显示器120提供内容，以向用户呈现。在图1所示的示例中，控制台110可以包括应用程序商店112、头戴式视图器追踪模块114、人工现实引擎116和眼睛追踪模块118。控制台110的一些实施例可以包括与结合图1描述的那些模块不同的模块或附加的模块。下面进一步描述的功能可以以与此处描述的方式不同的方式分布在控制台110的多个部件之间。
在一些实施例中，控制台110可以包括处理器和非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储可由处理器执行的指令。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。非暂态计算机可读存储介质可以是任何存储器，诸如硬盘驱动器、可移除存储器或固态驱动器(例如，闪存或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM))。在各种实施例中，结合图1描述的控制台110的模块可以被编码为非暂态计算机可读存储介质中的指令，当这些指令被处理器执行时，使处理器执行以下进一步描述的功能。
应用程序商店112可以存储一个或多个应用程序，以供控制台110执行。应用程序可以包括一组指令，当该组指令被处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。由应用程序生成的内容可以响应于经由用户的眼睛的运动接收到的来自用户的输入或接收到的来自输入/输出接口140的输入。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序或其它合适的应用程序。
头戴式视图器追踪模块114可以使用来自外部的成像装置150的慢速校准信息，追踪近眼显示器120的运动。例如，头戴式视图器追踪模块114可以使用观察到的来自慢速校准信息的定位器和近眼显示器120的模型，确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴式视图器追踪模块114还可以使用来自快速校准信息的位置信息，确定近眼显示器120的参考点的位置。此外，在一些实施例中，头戴式视图器追踪模块114可以使用快速校准信息、慢速校准信息或它们的任意组合的一部分，预测近眼显示器120的未来位置。头戴式视图器追踪模块114可以向人工现实引擎116提供估计或预测的、近眼显示器120的未来位置。
人工现实引擎116可以执行人工现实系统环境100内的应用程序，并且接收来自头戴式视图器追踪模块114的近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、预测的近眼显示器120的未来位置信息或它们的任意组合。人工现实引擎116还可以接收来自眼睛追踪模块118的估计的眼睛位置和取向信息。基于接收到的信息，人工现实引擎116可以确定将要提供给近眼显示器120以呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息表示用户已经看向左侧，则人工现实引擎116可以为近眼显示器120在虚拟环境中生成反映用户的眼睛活动的内容。此外，人工现实引擎116可以响应于接收到的来自输入/输出接口140的动作请求，执行在控制台110上执行的应用程序内的动作，并且向用户提供表示该动作已被执行的反馈。该反馈可以是经由近眼显示器120的视觉反馈或听觉反馈，或经由输入/输出接口140的触觉反馈。
眼睛追踪模块118可以接收来自眼睛追踪单元130的眼睛追踪数据，并且基于该眼睛追踪数据来确定用户眼睛的定位。眼睛的定位可以包括眼睛相对于近眼显示器120或其任意元件的取向、位置或这两者。因为眼睛的转动轴线随眼睛在其眼窝中的位置变化而改变，所以确定眼睛在其眼窝中的位置可以允许眼睛追踪模块118更准确地确定眼睛的取向。
图2用于实施本文公开的多个示例中的一些示例的近眼显示器的示例的立体图，该近眼显示器为HMD装置200的形式。HMD装置200可以是例如VR系统、AR系统、MR系统或它们的任意组合的一部分。HMD装置200可以包括主体220和头带230。图2以立体图示出了主体220的底侧223、前侧225和左侧227。头带230可以具有可调节的或可伸长的长度。HMD装置200的主体220和头带230之间可以存在足够的空间，以允许用户将HMD装置200佩戴到用户的头上。在各种实施方式中，HMD装置200可以包括附加部件、更少的部件或不同的部件。例如，在一些实施例中，HMD装置200可以包括例如下面的图3所示的眼镜腿和脚套，而不是头带230。
HMD装置200可以向用户呈现媒体，该媒体包括具有计算机生成的元素的虚拟视图和/或物理现实世界环境的增强视图。由HMD装置200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(2D)图像或三维(3D)图像)、视频(例如，2D视频或3D视频)、音频或它们的任意组合。图像和视频可以由包围在HMD装置200的主体220中的一个或多个显示组件(图2中未示出)呈现给用户的每只眼睛。在各种实施例中，一个或多个显示组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，用户的每只眼睛用一个显示面板)。电子显示面板的示例可以包括例如LCD、OLED显示器、ILED显示器、μLED显示器、AMOLED、TOLED、一些其它显示器或它们的任意组合。HMD装置200可以包括两个视窗区域(eye box region)。
在一些实施方式中，HMD装置200可以包括各种传感器(未示出)，例如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛追踪传感器。这些传感器中的一些传感器可以使用结构化光图案进行感测。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以执行HMD装置200内的应用程序并且接收来自各种传感器的HMD装置200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或它们的任意组合。在一些实施方式中，虚拟现实引擎接收到的信息可以用于向一个或多个显示组件生成信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括定位器(未示出，诸如定位器126)，这些定位器位于主体220上的彼此关联且与参考点关联的固定位置中。这些定位器中的每个定位器可以发出可以被外部的成像装置检测到的光。
图3是用于实施本文公开的多个示例中的一些示例的近眼显示器300的示例的立体图，该近眼显示器为一副眼镜的形式。近眼显示器300可以是图1的近眼显示器120的具体实施方式，并且可以被配置为作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器运行。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置为向用户呈现内容。在一些实施例中，显示器310可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如以上关于图1的近眼显示器120所描述的，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示组件)。
近眼显示器300还可以包括位于框架305上或框架305内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施例中，传感器350a至350e可以包括一个或多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施例中，传感器350a至350e可以包括一个或多个图像传感器，该一个或多个图像传感器被配置为生成表示不同方向上的不同视场的图像数据。在一些实施例中，传感器350a至350e可以用作输入装置以控制或影响近眼显示器300所显示的内容，和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施例中，传感器350a至350e也可以用于立体成像。
在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括用于将光投射到物理环境中的一个或多个照明器330。所投射的光可以与不同的频带(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，一个或多个照明器330可以在黑暗环境中(或在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光，以协助传感器350a至350e在黑暗环境中采集不同对象的图像。在一些实施例中，一个或多个照明器330可以用于将某些光图案投射到环境内的对象上。在一些实施例中，一个或多个照明器330可以用作定位器，例如以上关于图1描述的定位器126。
在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括高分辨率的摄像头340。摄像头340可以采集视场中的物理环境的图像。采集到的图像可以例如由虚拟现实引擎(例如，图1的人工现实引擎116)处理，以将虚拟对象添加到所采集的图像或对所采集的图像中的物理对象进行修改，并且可以通过用于AR或MR应用的显示器310向用户显示经处理的图像。
图4示出了根据某些实施例的包括波导显示器的光学透视增强现实系统400的示例。增强现实系统400可以包括投射器410和组合器415。投射器410可以包括光源或图像源412以及投射器光学器件414。在一些实施方式中，光源或图像源412可以包括上述一个或多个微型LED装置。在一些实施例中，图像源412可以包括显示虚拟对象的多个像素，例如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施例中，图像源412可以包括产生相干光或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器、LED和/或上述的微型LED。在一些实施例中，图像源412可以包括多个光源(例如，上述微型LED阵列)，每个光源发出对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施例中，图像源412可以包括3个二维微型LED阵列，其中，每个二维微型LED阵列可以包括被配置为发出原色(例如，红色、绿色或蓝色)的光的微型LED。在一些实施例中，图像源412可以包括光学图案生成器，诸如空间光调制器。投射器光学器件414可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件可以调节来自图像源412的光，该调节包括诸如扩展、准直、扫描或将来自图像源412的光投射到组合器415。一个或多个光学部件可以包括，例如，一个或多个透镜、液体透镜、镜子(mirror)、光圈和/或光栅。例如，在一些实施例中，图像源412可以包括微型LED的一个或多个一维阵列或一个或多个细长的二维阵列，投射器光学器件414可以包括一个或多个一维扫描器(例如，微镜片或棱镜)，该一个或多个一维扫描器被配置为扫描微型LED的一维阵列或细长的二维阵列，以生成图像帧。在一些实施例中，投射器光学器件414可以包括具有允许扫描来自图像源412的光的多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)。
组合器415可以包括输入耦合器430，该输入耦合器用于将来自投射器410的光耦合到组合器415的衬底420中。组合器415可以透射第一波长范围中的至少50％的光，并且反射第二波长范围中的至少25％的光。例如，第一波长范围可以是从约400nm到约650nm的可见光，第二波长范围可以位于红外波段中，例如，从约800nm到约1000nm。输入耦合器430可以包括体全息光栅、衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)(例如，表面浮雕光栅)、衬底420的倾斜表面，或折射耦合器(例如，楔形件或棱镜)。例如，输入耦合器430可以包括反射式体布拉格光栅或透射式体布拉格光栅。输入耦合器430对于可见光可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。耦合到衬底420中的光可以通过例如全内反射(Total Internal Reflection，TIR)在衬底420内传播。衬底420可以是一副眼镜的镜片的形式。衬底420可以具有平坦表面或弯曲表面，并且可以包括一种或多种类型的介电材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(Poly(Methyl Methacrylate)，PMMA)、晶体或陶瓷。衬底的厚度可以在例如小于约1mm至约10mm或更大的范围内。衬底420对可见光可以是透明的。
衬底420可以包括或可以耦接到多个输出耦合器440，每个输出耦合器被配置为从衬底420提取由衬底420引导并在衬底420内传播的光的至少一部分，并且将所提取的光460引导到视窗495，其中，当增强现实系统400在被使用时，增强现实系统400的用户的眼睛490可以位于该视窗495处。多个输出耦合器440可以复制出射光瞳以增加视窗495的尺寸，使得所显示的图像在更大的区域中是可见的。作为输入耦合器430，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其它衍射光学元件(DOE)、棱镜等。例如，输出耦合器440可以包括反射式体布拉格光栅或透射式体布拉格光栅。输出耦合器440可以在不同位置处具有不同的耦合(例如，衍射)效率。衬底420还可以允许来自组合器415前方的环境的光450以很小的损耗或没有损耗通过。输出耦合器440也可以允许光450以很小的损耗通过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有非常低的衍射效率，使得光450可以被折射或按照其它方式以很小损耗通过输出耦合器440，因此可以具有比提取的光460更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有高衍射效率，并且可以在某些期望方向(即，衍射角)上以很小的损耗使光450衍射。因此，用户可以能够观看组合器415前方的环境的组合图像和由投射器410投射的虚拟对象的图像。
图5A示出了根据某些实施例的包括波导显示器530的近眼显示(Near-eyeDisplay，NED)装置500的示例。NED装置500可以是近眼显示器120、增强现实系统400或另一类型的显示装置的示例。NED装置500可以包括光源510、投射光学器件520和波导显示器530。光源510可以包括用于不同颜色的光发射器的多个面板，诸如红光发射器512的面板、绿光发射器514的面板和蓝光发射器516的面板。红光发射器512被排列为一阵列；绿光发射器514被排列为一阵列；蓝光发射器516被排列为一阵列。光源510中的多个光发射器的尺寸和间距可以小。例如，每个光发射器可以具有小于2μm(例如，约1.2μm)的直径，并且间距可以小于2μm(例如，约1.5μm)。如此，各个红光发射器512、绿光发射器514和蓝光发射器516中的光发射器的数量可以等于或大于显示图像中的像素的数量(诸如960×720、1280×720、1440×1080、1920×1080、2160×1080或2560×1080像素)。因此，显示图像可以由光源510同时生成。NED装置500中可以不使用扫描元件。
由光源510发出的光在到达波导显示器530之前，可以由投射光学器件520进行调节，该投射光学器件可以包括透镜阵列。投射光学器件520可以对由光源510发出的光进行准直或使该光聚焦到波导显示器530，该波导显示器可以包括耦合器532，该耦合器用于将由光源510发出的光耦合到波导显示器530中。耦合到波导显示器530中的光可以通过例如以上关于图4描述的全内反射，在波导显示器530内传播。耦合器532还可以将在波导显示器530内传播的光的一部分自波导显示器530向外并朝向用户的眼睛590耦合。
图5B示出了根据某些实施例的包括波导显示器580的近眼显示(NED)装置550的示例。在一些实施例中，NED装置550可以使用扫描镜570将来自光源540的光向用户的眼睛590可能位于的图像场投射。NED装置550可以是近眼显示器120、增强现实系统400或另一类型的显示装置的示例。光源540可包括不同颜色的一行或多行、或一列或多列光发射器，诸如，多行红光发射器542、多行绿光发射器544和多行蓝光发射器546。例如，红光发射器542、绿光发射器544和蓝光发射器546可以各自包括N行，每行包括例如2560个光发射器(像素)。红光发射器542被排列为一阵列；绿光发射器544被排列为一阵列；蓝光发射器546被排列为一阵列。在一些实施例中，光源540可以包括用于每种颜色的单行光发射器。在一些实施例中，光源540可以包括用于红色、绿色及蓝色中的每一者的多列光发射器，其中，每一列可以包括例如1080个光发射器。在一些实施例中，光源540中的光发射器的尺寸和/或间距可以相对大(例如，约3-5μm)，因此光源540可以不包括用于同时生成完整显示图像的足够的光发射器。例如，单个颜色的光发射器的数量可以少于显示图像中的像素的数量(例如，2560×1080像素)。由光源540发出的光可以是一组准直的光束或发散的光束。
由光源540发出的光在到达扫描镜570之前，可以由各种光学装置(诸如，准直透镜或自由形式光学元件560)进行调节。自由形式光学元件560可以包括例如多面棱镜或另一光折叠元件，该多面棱镜或另一光折叠元件可以将由光源540发出的光引向扫描镜570，诸如将由光源540发出的光的传播方向改变例如约90°或更大。在一些实施例中，自由形式光学元件560可以是可旋转的，以对光进行扫描。扫描镜570和/或自由形式光学元件560可以反射由光源540发出的光并且使该光向波导显示器580投射，该波导显示器可以包括耦合器582，该耦合器用于将由光源540发出的光耦合到波导显示器580中。耦合到波导显示器580中的光可以通过例如以上关于图4描述的全内反射，在波导显示器580内传播。耦合器582还可以将在波导显示器580内传播的光的一部分自波导显示器580向外并且朝向用户的眼睛590耦合。
扫描镜570可以包括微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)镜或任何其它合适的镜子。扫描镜570可以旋转以在一维或二维中进行扫描。随着扫描镜570旋转，由光源540发出的光可以被引导到波导显示器580的不同区域，使得在每个扫描循环中完整的显示图像可以被投射到波导显示器580上，并且由波导显示器580引导到用户的眼睛590。例如，在光源540包括用于一行或多行或者一列或多列中的所有像素的光发射器的实施例中，扫描镜570可以在列或行方向(例如，x方向或y方向)上旋转以扫描图像。在光源540包括用于一行或多行或者一列或多列中的一些但不是全部像素的光发射器的实施例中，扫描镜570可以在行和列方向(例如，x方向和y方向)这二者上旋转，以投射显示图像(例如，使用光栅式扫描模式)。
NED装置550可以按照预定义的显示周期(display period)运行。显示周期(例如，显示循环)可以指扫描或投射完整图像的持续时间。例如，显示周期可以是期望的帧率的倒数。在包括扫描镜570的NED装置550中，显示周期也可以被称为扫描周期或扫描循环(scanning cycle)。光源540生成的光可以与扫描镜570的旋转同步。例如，每个扫描循环可以包括多个扫描步骤，其中，在每个各自的扫描步骤中，光源540可以生成不同的光图案。
在每个扫描循环中，随着扫描镜570旋转，显示图像可以被投射到波导显示器580和用户的眼睛590上。显示图像的给定像素位置的实际颜色值和光强度(例如，亮度)可以是在扫描周期内照亮像素位置的三种颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的光束的平均值。在完成一扫描周期之后，扫描镜570可以恢复到初始位置以为下一幅显示图像的前几行投射光，或者可以以相反的方向或扫描模式旋转以为下一幅显示图像投射光，其中，新一组的驱动信号可以被反馈到光源540。随着扫描镜570以每个扫描循环旋转，可以重复相同的过程。如此，在不同的扫描循环中，不同的图像可以被投射到用户的眼睛590。
图6示出了根据某些实施例的近眼显示系统600中的图像源组件610的示例。图像源组件610可以包括例如显示面板640和投射器650，该显示面板可以生成将要投射到用户眼睛的显示图像，该投射器可以将显示面板640生成的显示图像投射到波导显示器，如以上关于图4至图5B描述的。显示面板640可以包括光源642和用于光源642的驱动器电路644。光源642可以包括例如光源510或540。投射器650可以包括例如上述的自由形式光学元件560、扫描镜570和/或投射光学器件520。近眼显示系统600还可以包括同步地控制光源642和投射器650(例如，扫描镜570)的控制器620。图像源组件610可以生成图像光并且将该图像光向波导显示器(图6中未示出)输出，该波导显示器诸如波导显示器530或580。如上所述，该波导显示器可以在一个或多个输入耦合元件处接收该图像光，并且将所接收的图像光引导到一个或多个输出耦合元件。该输入耦合元件和输出耦合元件可以包括例如衍射光栅、全息光栅、棱镜或它们的任意组合。输入耦合元件可以被选择为，使得波导显示器发生全内反射。输出耦合元件可以将全内反射图像光的一部分自波导显示器耦出。
如上所述，光源642可以包括按照阵列或矩阵排列的多个光发射器。每个光发射器可以发出单色光，诸如红光、蓝光、绿光、红外光等。虽然本公开中经常论述RGB颜色，但本文中描述的实施例不限于使用红色、绿色及蓝色作为原色。其它颜色也可以用作近眼显示系统600的原色。在一些实施例中，根据实施例的显示面板可以使用三种以上的原色。光源642中的每个像素可以包括三个子像素，该三个子像素包括红色微型LED、绿色微型LED及蓝色微型LED。半导体LED通常包括位于多层半导体材料内的有源发光层。该多层半导体材料可以包括不同的化合物材料或具有不同的掺杂剂和/或不同的掺杂密度的相同的基底材料。例如，该多层半导体材料可以包括n型材料层、可以包括异质结构(例如，一个或多个量子阱)的有源区、以及p型材料层。多层半导体材料可以在具有一定取向的衬底的表面上生长。在一些实施例中，为了增大光提取效率，可以形成包括至少一些层的半导体材料的台面(mesa)。
控制器620可以控制图像源组件610的图像渲染操作，诸如光源642和/或投射器650的运行。例如，控制器620可以确定针对图像源组件610的用于渲染一幅或多幅显示图像的指令。这些指令可以包括显示指令和扫描指令。在一些实施例中，显示指令可以包括图像文件(例如，位图文件)。显示指令可以从例如控制台被接收，该控制台诸如上文关于图1描述的控制台110。图像源组件610可以使用扫描指令，以生成图像光。扫描指令可以指定例如，图像光源的类型(例如，单色或多色)、扫描速率、扫描设备的取向、一个或多个照明参数或它们的任意组合。控制器620可以包括硬件、软件和/或固件的组合，此处未示出该硬件、软件和/或固件，以免模糊本公开的其它方面。
在一些实施例中，控制器620可以是显示装置的图形处理单元(GraphicsProcessing Unit，GPU)。在其它实施例中，控制器620可以是其它种类的处理器。由控制器620执行的操作可以包括获取用于显示的内容并且将内容划分为离散的多个部分。控制器620可以向光源642提供扫描指令，该扫描指令包括与光源642的单个源元件相对应的地址和/或施加到单个源元件的电偏压(electrical bias)。控制器620可以指示光源642通过使用与最终显示给用户的图像中的一行或多行像素相对应的光发射器依次呈现离散的多个部分。控制器620还可以指示投射器650对光进行不同的调整。例如，控制器620可以控制投射器650以将离散的多个部分扫描到波导显示器(例如，波导显示器580)的耦合元件的不同区域，如以上关于图5B描述的。如此，在波导显示器的出射光瞳处，每个离散部分被呈现在不同的相应位置。虽然每个离散部分在不同的相应时间被呈现，但是离散部分的呈现和扫描发生得足够快，以至于用户的眼睛可以将不同的部分集成为单幅图像或一系列图像。
图像处理器630可以是通用处理器和/或专用于执行本文所描述的特征的一个或多个专用电路。在一个实施例中，通用处理器可以耦接到存储器，以执行使处理器执行本文描述的某些过程的软件指令。在另一实施例中，图像处理器630可以是专用于执行某些特征的一个或多个电路。虽然图6中的图像处理器630被示出为与控制器620和驱动器电路644分离开的独立单元，但是在其它实施例中，图像处理器630可以是控制器620或驱动器电路644的子单元。换言之，在那些实施例中，控制器620或驱动器电路644可以执行图像处理器630的各种图像处理功能。图像处理器630也可以被称为图像处理电路。
在图6所示的示例中，光源642可以基于从控制器620或图像处理器630发送的数据或指令(例如，显示指令和扫描指令)，被驱动器电路644驱动。在一个实施例中，驱动器电路644可以包括电路板，该电路板连接到光源642的各种光发射器并且机械地保持这些光发射器。光源642可以根据由控制器620设定且由图像处理器630及驱动器电路644潜在地调整的一个或多个照明参数而发光。光源642可以使用照明参数生成光。照明参数可以包括例如，源波长、脉冲速率、脉冲振幅、光束类型(连续式或脉冲式)、可以影响所发出的光的一个或多个其它参数或它们的任意组合。在一些实施例中，由光源642生成的源光可以包括红色、绿色和蓝色的多个光束或它们的任意组合。
投射器650可以执行一组光学功能，诸如使光源642生成的图像光聚焦、组合、调节或扫描光源642生成的图像光。在一些实施例中，投射器650可以包括组合组件、光调节组件或扫描镜组件。投射器650可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件光学地调节和潜在地使来自光源642的光重新定向。光的调节的一个示例可以包括调节光，诸如扩展、准直、校正一个或多个光学误差(例如，场曲率、色差等)、光的一些其它调整、或它们的任意组合。投射器650的光学部件可以包括例如，透镜、镜子、光圈、光栅或它们的任意组合。
投射器650可以经由其一个或多个反射和/或折射部分使图像光重新定向，使得图像光朝向波导显示器以某些取向被投射。图像光朝向波导显示器被重新定向的位置可以取决于一个或多个反射和/或折射部分的特定取向。在一些实施例中，投射器650包括在至少两个维度上扫描的单个扫描镜。在其它实施例中，投射器650可以包括多个扫描镜，每个扫描镜在彼此正交的方向上扫描。投射器650可以执行光栅扫描(水平或竖直)、双共振扫描或它们的任意组合。在一些实施例中，投射器650可以以特定的振动频率沿水平和/或竖直方向执行受控的振动，以沿二维扫描并生成呈现给用户眼睛的媒体的二维投影图像。在其它实施例中，投射器650可以包括透镜或棱镜，该透镜或棱镜可以起到与一个或多个扫描镜类似或相同的功能。在一些实施例中，图像源组件610可以不包括投射器，其中，由光源642发出的光可以直接入射到波导显示器上。
光子集成电路或基于波导的显示器(例如，位于增强现实系统400或NED装置500或550中)的总效率可以是各个部件的效率的乘积，并且还可以取决于这些部件如何连接。例如，增强现实系统400中的基于波导的显示器的总效率η总(ηtot)可以取决于图像源412的发光效率、通过投射光学器件414和输入耦合器430从图像源412进入组合器415中的光耦合效率、以及输出耦合器440的输出耦合效率，因此可以被确定为：
η总＝ηEQE×ηλ×η出，                 (1)
其中，ηEQE是图像源412的外部量子效率，ηλ是光从图像源412进入波导(例如，衬底420)中的耦入效率，并且η出是光通过输出耦合器440从波导朝向用户的眼睛的耦出效率。因此，基于波导的显示器的总效率η总可以通过提高ηEQE、ηλ和η出中的一者或多者来提高。
将来自光源的所发出的光耦合到波导的光学耦合器(例如，输入耦合器430或耦合器532)可以包括例如，光栅、透镜、微透镜、棱镜。在一些实施例中，来自小光源(例如，微型LED)的光可以在不使用光学耦合器的情况下，直接(例如，端到端)从光源耦合到波导。在一些实施例中，光学耦合器(例如，透镜或抛物线形反射器)可以在光源上制造。
上述光源、图像源或其它显示器可以包括一个或多个LED。例如，显示器中的每个像素可以包括三个子像素，该三个子像素包括红色微型LED、绿色微型LED和蓝色微型LED。半导体发光二极管通常包括位于多层半导体材料内的有源发光层。多层半导体材料可以包括不同的化合物材料或具有不同的掺杂剂和/或不同的掺杂密度的相同的基底材料。例如，多层半导体材料通常可以包括n型材料层、可以包括异质结构(例如，一个或多个量子阱)的有源层、以及p型材料层。多层半导体材料可以在具有一定取向的衬底的表面上生长。
在半导体LED(例如，微型LED)中，可以通过有源层(例如，包括一个或多个半导体层)内的电子和空穴的复合，以一定的内部量子效率生成光子。然后，可以在特定方向上或在特定立体角内提取来自LED的所生成的光。所提取的来自LED的发射光子的数量与通过LED的电子的数量之间的比率称为外部量子效率，该外部量子效率描述LED将注入的电子转换为光子(该光子从装置提取)的效率如何。该外部量子效率可以与注入效率、内部量子效率和提取效率成比例。注入效率是指经过该装置的电子注入有源区的比例。提取效率是有源区中生成的光子从该装置逸出的比例。对于LED，特别是物理尺寸缩小的微型LED，提高内部量子效率和外部量子效率可能存在挑战。在一些实施例中，为了增大光提取效率，可以形成包括至少一些层的半导体材料的台面。
图7A示出了具有竖直台面结构的LED 700的示例。LED 700可以是光源510、540或642中的光发射器。LED 700可以是由无机材料(诸如多层半导体材料)制成的微型LED。分层的半导体发光装置可以包括多层的III-V族半导体材料。III-V族半导体材料可以包括一种或多种III族元素以及与之结合的V族元素，III族元素诸如铝(Al)、镓(Ga)或铟(In)，V族元素诸如氮(N)、磷(P)、砷(As)或锑(Sb)。当III-V族半导体材料的V族元素包括氮时，该III-V族半导体材料被称为III族氮化物材料。分层的半导体发光装置可以通过使用如下技术在衬底上生长多个外延层来制造，这些技术例如气相外延(Vapor-phase Epitaxy，VPE)、液相外延(Liquid-phase Epitaxy，LPE)、分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)或金属有机化学气相沉积(Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)。例如，多层的半导体材料可以在具有一定的晶格取向(例如，极性、非极性或半极性取向)的衬底上逐层生长，该衬底诸如GaN、GaAs或GaP衬底、或包括但不限于蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氧化锌衬底、氮化硼衬底、铝酸锂衬底、铌酸锂衬底、锗衬底、氮化铝衬底、镓酸锂(lithiumgallate)衬底、部分取代的尖晶石衬底、或共享β-LiAlO2结构的四元四方氧化物结构的衬底，其中，该衬底可以在特定方向上被切割以暴露作为生长表面的特定平面。
在图7A所示的示例中，LED 700可以包括衬底710，该衬底可以包括例如蓝宝石衬底或GaN衬底。半导体层720可以生长在衬底710上。半导体层720可以包括III-V族材料(诸如GaN)，并且可以是p掺杂的(例如，掺杂有Mg、Ca、Zn或Be)或n掺杂的(例如，掺杂有Si或Ge)。一个或多个有源层730可以生长在半导体层720上以形成有源区。有源层730可以包括III-V族材料(诸如一个或多个InGaN层、一个或多个AlGaInP层和/或一个或多个GaN层)，这些III-V族材料可以形成一个或多个异质结构(诸如一个或多个量子阱或MQW)。半导体层740可以生长在有源层730上。半导体层740可以包括III-V族材料(诸如GaN)，并且可以是p掺杂的(例如，掺杂有Mg、Ca、Zn或Be)或n掺杂的(例如，掺杂有Si或Ge)。半导体层720和半导体层740中的一者可以是p型层，另一者可以是n型层。半导体层720和半导体层740将有源层730夹在中间以形成发光区。例如，LED 700可以包括位于掺杂有镁的p型GaN层与掺杂有硅或氧的n型GaN层之间的InGaN层。在一些实施例中，LED 700可以包括位于掺杂有锌或镁的p型AlGaInP层与掺杂有硒、硅或碲的n型AlGaInP层之间的AlGaInP层。
在一些实施例中，电子阻挡层(Electron-blocking Layer，EBL)(图7A中未示出)可以生长为在有源层730与半导体层720或半导体层740中的至少一者之间形成一层。EBL可以减少电子泄漏电流并且提高LED的效率。在一些实施例中，重掺杂半导体层750(诸如，P+半导体层或P++半导体层)可以形成在半导体层740上，并且作为接触层，该接触层用于形成欧姆接触并且减小装置的接触阻抗。在一些实施例中，导电层760可以形成在重掺杂半导体层750上。导电层760可以包括例如透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)或Al/Ni/Au膜。在一个示例中，导电层760可以包括氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)层。
为了与半导体层720(例如，n-GaN层)接触并且更有效地从LED 700提取由有源层730发出的光，可以对半导体材料层(包括重掺杂半导体层750、半导体层740、有源层730和半导体层720)进行刻蚀，以暴露半导体层720并且形成包括层720至760的台面结构。该台面结构可以将载流子限制在装置内。刻蚀台面结构可能使得形成台面侧壁732，该台面侧壁可以与生长平面正交。钝化层770可以形成在台面结构的台面侧壁732上。钝化层770可以包括氧化物层(诸如，SiO2层)，并且可以作为反射器以将自LED 700发出的光反射。接触层780可以形成在半导体层720上，并且可以作为LED 700的电极，该接触层可以包括金属层(诸如，Al、Au、Ni、Ti或它们的任意组合)。此外，另一接触层790(诸如，Al/Ni/Au金属层)可以形成在导电层760上，并且可以作为LED 700的另一电极。
当向接触层780和790施加电压信号时，电子和空穴可以在有源层730中复合，其中，电子和空穴的复合可以引发光子发射。发射的光子的波长和能量可以取决于有源层730中的价带和导带之间的能带隙。例如，InGaN有源层可以发出绿光或蓝光，AlGaN有源层可以发出蓝光到紫外光，而AlGaInP有源层可以发出红光、橙光、黄光或绿光。发射的光子可以被钝化层770反射并且可以从顶部(例如，导电层760和接触层790)或底部(例如，衬底710)离开LED 700。
在一些实施例中，LED 700可以在光发射表面(诸如，衬底710)上包括一个或多个其它部件(例如，透镜)，以对发出的光进行准直或使该光聚焦或将该发出光耦合到波导中。在一些实施例中，LED可以包括另一形状的台面，例如平面、圆锥形、半抛物线形或抛物线形，并且台面的基部区域可以是圆形、矩形、六边形或三角形。例如，LED可以包括弯曲形状(例如，抛物面形状)和/或非弯曲形状(例如，圆锥形状)的台面。该台面可以是截断的或非截断的。
图7B是具有抛物线台面结构的LED 705的示例的截面图。与LED 700相似，LED 705可以包括多层半导体材料，诸如多层III-V族半导体材料。半导体材料层可以外延生长在衬底715上，该衬底诸如GaN衬底或蓝宝石衬底。例如，半导体层725可以生长在衬底715上。半导体层725可以包括III-V族材料(诸如GaN)，并且可以是p掺杂的(例如，掺杂有Mg、Ca、Zn或Be)或n掺杂的(例如，掺杂有Si或Ge)。一个或多个有源层735可以生长在半导体层725上。有源层735可以包括III-V族材料(诸如，一个或多个InGaN层、一个或多个AlGaInP层和/或一个或多个GaN层)，这些III-V族材料可以形成一个或多个异质结构(诸如，一个或多个量子阱)。半导体层745可以生长在有源层735上。半导体层745可以包括III-V族材料(诸如GaN)，并且可以是p掺杂的(例如，掺杂有Mg、Ca、Zn或Be)或n掺杂的(例如，掺杂有Si或Ge)。半导体层725和半导体层745中的一者可以是p型层，另一者可以是n型层。
为了与半导体层725(例如，n型GaN层)接触并且更有效地从LED 705提取由有源层735发出的光，可以对半导体层进行刻蚀，以暴露半导体层725并且形成包括层725至745的台面结构。该台面结构可以将载流子限制在装置的注入区内。刻蚀台面结构可能使得形成台面侧壁(本文中也称为刻面(facet))，该台面侧壁可以与和层725至745的晶体生长相关联的生长平面不平行，或在某些情况下与之正交。
如图7B所示，LED 705可以具有包括平坦顶部的台面结构。介电层775(例如，SiO2或SiNx)可以形成在台面结构的刻面上。在一些实施例中，介电层775可以包括多层介电材料。在一些实施例中，金属层795可以形成在介电层775上。金属层795可以包括一种或多种金属或金属合金材料，诸如Al、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、Cu或它们的任意组合。介电层775和金属层795可以形成台面反射器，该台面反射器可以使由有源层735发出的光朝向衬底715反射。在一些实施例中，台面反射器可以是抛物线形的，以作为抛物线反射器(parabolicreflector)，该抛物线反射器可以至少部分地对所发出的光进行准直。
电接触物(electrical contact)765和电接触物785可以分别形成在半导体层745和半导体层725上，以作为电极。电接触物765和电接触物785可以各自包括导电材料，诸如Al、Au、Pt、Ag、Ni、Ti、Cu或它们的任意组合(例如，Ag/Pt/Au或Al/Ni/Au)，并且可以作为LED705的电极。在图7B所示的示例中，电接触物785可以是n接触物，电接触物765可以是p接触物。电接触物765和半导体层745(例如，p型半导体层)可以形成回归反射器(backreflector)，该回归反射器用于使有源层735发出的光反射回衬底715。在一些实施例中，电接触物765和金属层795包括相同的材料，并且可以用相同的工艺形成。在一些实施例中，可以包括附加导电层(未示出)作为电接触物765和785与半导体层之间的中间导电层。
当电压信号施加到电接触物765和785之间时，电子和空穴可以在有源层735中复合。电子和空穴的复合可以引发光子发射，从而产生光。发射的光子的波长和能量可以取决于有源层735中的价带和导带之间的能带隙。例如，InGaN有源层可以发出绿光或蓝光，而AlGaInP有源层可以发出红光、橙光、黄光或绿光。发射的光子可以在许多不同的方向上传播，可以被台面反射器和/或回归反射器反射，并且可以例如从图7B示出的底侧(例如，衬底715)离开LED 705。一个或多个其它次级光学部件(诸如，透镜或光栅)可以形成在光发射表面(例如，衬底715)上，以对发出的光进行准直或使该光聚焦，和/或使发出的光耦合到波导中。
当形成(例如，刻蚀)台面结构时，台面结构的刻面(诸如，台面侧壁732)可能包括一些缺陷，诸如不饱和键合、化学污染和结构损伤(例如，当干法刻蚀时)，这可能降低LED的内部量子效率。例如，在刻面处，半导体层的原子晶格结构可能会突然终止，其中，半导体材料的一些原子可能缺少可以附着而进行键合的相邻物。这导致出现“悬空键(danglingbond)”，该悬空键可以通过未配对的价电子来表征。这些悬空键在半导体材料的带隙内产生了原本不会存在的能量级，导致在台面结构的刻面处或附近发生非辐射电子-空穴复合。因此，这些缺陷可能变成复合中心，其中，电子和空穴可以被限制，直到它们非辐射性地结合。
在一些实施例中，为了增大光提取效率并且因此增大外部量子效率，可以在光发射表面(例如，衬底710或710’)上形成一或多个其它光学部件(诸如，透镜)，以自LED提取出特定立体角内的发出的光，和/或对该发出的光进行准直或使该光聚焦。例如，在一些实施例中，微透镜阵列可以形成在微型LED阵列上，其中，从每个微型LED发出的光可以被一个或多个微透镜收集和提取，并且可以被准直、聚焦或扩展，然后被导向基于波导的显示系统中的波导。微透镜可以有助于提高光收集效率，从而提高显示系统的耦合效率和总效率。
图8示出了装置800的示例，该装置包括微型LED阵列820和用于从微型LED阵列820提取光的微透镜阵列840。微型LED阵列820可以包括微型LED的一维阵列或二维阵列，其中，微型LED可以均匀分布并且可以由例如绝缘体830、导体或它们的任意组合隔离。微型LED阵列820可以包括外延结构，该外延结构形成在衬底810上、或者形成在形成于衬底810上的金属和/或绝缘体层上，例如，如上文关于图7A和7B描述的。例如，绝缘体830可以包括钝化层(例如，钝化层770)、光反射层、填充材料(例如，聚合物)等。
微透镜阵列840可以用于提高光提取效率并且改变所发出的光束的光束轮廓。例如，微透镜阵列840可以减小所发出的光束的发散角。微透镜阵列840可以直接形成在微型LED阵列820上，或者可以形成在一个衬底上然后结合到微型LED阵列820。例如，微透镜阵列840可以刻蚀在微型LED阵列820的层中，该层诸如微型LED阵列820的衬底或衬底的氧化层(例如，SiO2层)。在一些实施例中，微透镜阵列840可以形成在沉积于微型LED阵列820上的介电层(诸如，氧化物层或聚合物层)上。
在图8所示的示例中，微透镜阵列840可以与微型LED阵列820对准，其中，微型LED阵列820的间距822可以与微透镜阵列840的间距842相同，并且微透镜阵列840中的每个微透镜的光轴可以与微型LED阵列820中的相应的微型LED的中心对准。由此，来自每个微型LED的光在穿过相应的微透镜之后的主光线(chief ray)可以是相同的，诸如在光轴的方向上或在垂直于微型LED阵列820的方向上。如图8所示，来自微透镜阵列840中的每个微透镜的光束850可以具有主光线852，该主光线与相对应的微透镜的光轴对准。例如，光束850的主光线852可以相对于微透镜阵列840或微型LED阵列820呈90°。微透镜的焦距和微透镜与相对应的微型LED之间的距离可以被配置为使得光束850可以是准直的光束、会聚的光束或发散的光束。
在一些实施例中，微型LED阵列820的间距822可以与微透镜阵列840的间距842相同，但微透镜阵列840可以不与微型LED阵列820对准。例如，微透镜阵列840中的每个微透镜的光轴可以从微型LED阵列820中的相对应的微型LED的中心偏移。因此，每个光束穿过相对应的微透镜之后的主光线可能不与每个微透镜的光轴对准。然而，因为间距匹配，所以光束穿过微透镜阵列840之后的主光线可能在同一方向上。在一些实施例中，为了提高来自微型LED的显示光进入到基于波导的显示系统中的耦入效率，可能期望来自每个微型LED的光以各自不同的角度被导向波导。
在一些实施例中，微型LED阵列820的间距822可以与微透镜阵列840的间距842不同(例如，小于或大于)，因此微透镜阵列840中的每个微透镜的光轴可以从微型LED阵列820中的相对应的微型LED的中心偏移不同的距离。如此，来自每个微型LED的光束850在穿过相对应的微透镜之后的主光线852可以是不同的。例如，微型LED阵列820的间距822可以大于微透镜阵列840的间距842，因此微透镜阵列840中的每个微透镜的光轴可以从微型LED阵列820中的相对应的微型LED的中心偏移不同距离。因此，来自微型LED的光束在穿过相对应的微透镜之后的主光线852可以位于不同的方向上并且可以会聚。在一些实施例中，微型LED阵列820的间距822可以小于微透镜阵列840的间距842，因此微透镜阵列840中的每个微透镜的光轴可以从微型LED阵列820中的相对应的微型LED的中心偏移不同距离。该偏移可以是微透镜的位置的函数。结果，来自微型LED的光在穿过相对应的微透镜之后的主光线852可以位于不同的方向上并且可以发散。
图9A示出了具有台面结构和金属镜的微型LED 900的示例。微型LED 900可以具有小于约100μm、小于约50μm、小于约20μm、小于约10μm、小于约5μm、小于约3μm、小于约2μm或小于约1μm的线性尺寸。微型LED 900可以包括衬底910，诸如衬底710或715。微型LED 900可以包括n型半导体(例如，n型GaN)层920、发光区930(例如，包括InGaN/GaN MQW)和p型半导体(例如，p型GaN)层940。可以从p型半导体层940的侧面刻蚀n型半导体层920、发光区930和p型半导体层940，以形成台面结构。该台面结构可以包括竖直的侧壁、向内倾斜的侧壁或向外倾斜的侧壁(诸如圆锥形或抛物线形状的侧壁)。
微型LED 900可以包括回归反射器950(例如，高反射性p接触物，诸如TCO/Ag或TCO/Au)。回归反射器950可以具有高反射率，诸如大于约75％或约90％的发射率。微型LED900还可以包括透明的介电层960(例如，SiO2或SiNx)，该介电层形成在台面结构的侧壁上。介电层960可以是钝化层，并且还可以用于减少载流子在台面结构的侧壁附近非辐射复合。在一些实施例中，介电层960可以包括多层介电材料。在一些实施例中，TCO层可以邻近介电层960形成。金属层970可以形成在介电层960或TCO层上。金属层970可以包括一种或多种金属或金属合金材料，诸如Al、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、Cu或它们的任意组合。介电层960和金属层970可以形成金属台面反射器，该金属台面反射器可以反射由发光区930发出的光。该金属台面反射器可以具有大于约例如95％的反射率。在一些实施例中，绝缘材料980可以填充微型LED阵列中的各个微型LED 900之间的间隙。绝缘材料980可以包括填充材料，诸如聚合物、环氧树脂、硅树脂等。
微型LED 900可以包括微透镜990，诸如球面透镜。在一些实施例中，微透镜990可以是非原生透镜，该非原生透镜形成在沉积于微型LED 900的半导体层顶部的材料层(诸如SiN、SiO2或聚合物层)中。在一些实施例中，微透镜990可以是刻蚀在微型LED 900的半导体层(例如，衬底910)中的原生透镜，以减少由菲涅耳反射引起的损耗并且提高光提取效率。由于台面结构、台面反射器和微透镜990，使得可以提高微型LED的光提取效率，并且来自微型LED 900的所发出光的光束轮廓可以具有较小的半宽半幅(Half-width Half-magnitude，HWHM)角，诸如小于约40°或30°(例如，约25°)。
图9B示出了在台面侧壁处包括金属镜的微型LED阵列905的示例。微型LED阵列905的中的每个微型LED可以与微型LED 900相似，并且可以包括光提取微透镜(图9B中未示出)。微型LED阵列905中的每个微型LED可以包括台面结构，该台面结构包括n型半导体层925、发光区935和p型半导体层945，该n型半导体层、发光区和p型半导体层可以分别与n型半导体层920、发光区930和p型半导体层940相似。微型LED阵列905中的每个微型LED可以包括与回归反射器950相似的回归反射器955。微型LED阵列905中的每个微型LED还可以包括台面反射器965，该台面反射器可以包括钝化层(例如，SiO2或SiNx)和金属材料层(例如，Al、Ag、Au、Pt、Ni、Ti、Cu或它们的任意组合)。微型LED阵列905的台面结构之间的间隙可以包括绝缘材料985，该绝缘材料可以包括填充材料，诸如聚合物、环氧树脂、硅树脂等。
发光区935中发出并且入射在台面结构的顶表面927上的一些光可以在顶表面927处发生折射，以离开台面结构。发光区935中发出并且入射在台面结构的顶面927上的一些光可能由于顶表面927处的全内反射，而被反射回台面结构，因此可能无法自台面结构被提取出来。发光区935中发出并且入射在回归反射器955和台面反射器965上的光可以被回归反射器955和台面反射器962镜面反射。由于发出的光被回归反射器955和台面反射器965镜面反射，因此微型LED内可能没有光混合，这可能导致微型光在LED内的闭合轨道(closedorbit)。因此，发光区935中发射的许多光子可能被捕获或限制在台面结构中的半导体层中，并且最终可能在台面结构内被吸收。结果，微型LED阵列905的光提取效率可能仍然相对较低。
在大型LED(诸如，大型GaN基LED)中，可以通过使用例如薄膜技术或图案化蓝宝石衬底(在衬底表面上具有密集的周期性图案)来提高光提取效率。例如，图案化蓝宝石衬底技术可以使得半导体层中的光随机化，使得本来可能被捕获在台面结构中的光子的传播方向可以随机化，以增大从限制中释放并且离开台面结构的可能性。因此，可以提高总的光提取效率。然而，由于这些微型LED的尺寸小且纵横比(高度比宽度)大，使得这些技术可能无法用于线性尺寸小于例如约20μm或约10μm的微型LED中。
根据某些实施方式，微型LED可以包括光偏转器(light deflector)，该光偏转器由浸入在微型LED的侧壁处的绝缘材料中的金属纳米粒子形成。这些金属纳米粒子可能由于表面等离子体共振而使入射光散射。金属纳米粒子的尺寸和形状和绝缘基质的材料的可以被选择为，使得共振频率可以与由微型LED的发光区发出的光的频率匹配，以引起入射在金属纳米粒子上的发出的光的强烈散射。因此，入射在微型LED的侧壁上的发出光可以被散射，而不是被镜面反射，从而离开微型LED或返回到微型LED中，以引起光混合和光随机化。如此，微型LED的光提取效率可以如在具有图案化蓝宝石衬底的LED中那样得到增大。
图10示出了根据某些实施例的微型LED阵列1000的示例，该微型LED阵列包括位于台面侧壁1012处的用于使所发出的光散射的金属纳米粒子。微型LED阵列1000中的每个微型LED可以包括台面结构1010，该台面结构可以包括多个外延层。该多个外延层可以形成具有p型区、发光区和n型区的二极管。绝缘区1020可以位于台面结构1010之间。绝缘区1020可以包括填充材料，该填充材料包括浸入绝缘材料(例如，电介质或聚合物)中的金属纳米粒子。如上所述，绝缘区1020还可以包括位于台面侧壁1012上的钝化层。每个微型LED还可以包括底部反射器1014，该底部反射器可以与回归反射器950或955相似，并且可以包括高反射性金属接触层。台面结构1010的有源区中发出的一些光可以入射在微型LED的台面侧壁1012上。
绝缘区1020中的金属纳米粒子可以包括例如贵金属纳米粒子或铜纳米粒子，该贵金属诸如金、银、铂等。金属纳米粒子可以包括纳米球(nanosphere)、纳米棒(nanorod)、纳米壳(nanoshell)、纳米笼(nanocages)或其它规则或不规则形状的纳米粒子。纳米粒子可以具有约20nm或更大的尺寸。金属纳米粒子上的电荷(例如，电子)可以与入射光相互作用，以引起金属纳米粒子上的电子的振荡。对于特定波长(或频率)的光，金属纳米粒子表面上的电子的集体振荡可能引起表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)，这可能使得由于光吸收和散射而引起光的强烈消光。当纳米粒子的尺寸大于某个值时，光可能在所有方向上且以相同的频率重新辐射，因此入射光可以被散射。因此，金属纳米粒子的材料、尺寸和形状以及绝缘区1020中的绝缘材料的材料可以选择为，使得SPR的共振频率可以与由微型LED的发光区发出的光的频率匹配，以引起入射在金属纳米粒子上的发出的光的强烈散射。因此，入射在微型LED的台面侧壁上的发出的光可以被散射以引起光混合，而不是被镜面反射，从而离开微型LED或返回到微型LED中。因此，微型LED可以具有较高的光提取效率。
图11示出了金属纳米粒子1120的局部表面等离子体共振的示例，该局部表面等离子体共振由于表面电子与特定波长的光波1110的集体振荡而引起。金属表面上的电子密度的波动被称为等离子体或表面等离子体，等离子体或表面等离子体表示以某些频率振荡的离散等离子体波。等离子体可以与外部刺激相互作用。在与周期性刺激波的振荡频率相匹配的频率下，等离子体振荡可能由于电子和刺激波之间的相互作用而变得更强，从而引起表面等离子体共振。表面等离子体共振指材料表面上的等离子体以与刺激波相同的频率振荡的电磁响应。表面等离子体共振可以由光波激发，该光波以与等离子体的频率相等的频率振荡。
如图11所示，当光波1110撞击金属纳米粒子1120时，金属材料中的电子可以感测光波1110的电磁场以引起电荷的分离。如此，光波1110的电场可以在金属纳米粒子1120的原子中产生电荷分离，从而产生可以允许电子在其中自由运动的电子云。因此，光波1110的振荡电场可以引起电子云中的自由电子的偶极振荡，其中，偶极振荡可以在与光波1110的电场相同的方向上。因此，表面等离子体可以被激发并且开始振荡。当光波1110的频率与金属纳米粒子1120中的电子的自然振荡频率匹配时，可能发生表面等离子体共振。表面等离子体共振可以发生在具有足够密度的自由电子的任何纳米材料中。表面等离子体共振可能引起入射光的强烈吸收和/或散射。
表面等离子体共振条件取决于金属纳米粒子的波长相关的介电函数以及周围介质的介电函数。对于球形纳米粒子，纳米粒子的准静态极化率(quasi-staticpolarizability)由下式给出：
Figure BDA0004088894570000231
其中，r是纳米粒子的半径，ε1是纳米粒子的波长相关的介电函数，ε2是周围介质的介电函数，无论入射光的波长λ如何，该介电函数都可以保持近似恒定。当在给定波长λ下Re{ε1}＝-2ε2时，纳米粒子可以被驱动进入共振状态，使得光的吸收和/或散射在波长λ下急剧增加。例如，当表面等离子体共振被激发时，吸收和散射强度可以高达，例如，约40倍于相同尺寸的非等离子体纳米粒子的吸收和散射。
与等离子体纳米粒子相互作用的光的总损耗(该总损耗可以被称为光的消光)是光吸收和光散射之和。当光子能量由于非弹性过程而消散(例如，转换成热量)时，可能发生光吸收。当入射光的光子能量引起电子振荡时，可能发生光散射，电子振荡以散射光(具有与入射光相同的频率)的形式发射光子(这可以称被为瑞利散射)，或以偏移的频率发射光子(这可以被称为拉曼散射)。可以使用米氏理论(Mie theory)或离散偶极近似(DiscreteDipole Approximation，DDA)，计算光吸收和光散射对光的总消光的贡献。对于小的纳米粒子，消光可能是由吸收主导的。增大纳米粒子尺寸可以显著增加光散射。较大的纳米粒子(例如，直径大于约40nm或50nm的金纳米球)可能由于其较大的光学截面而散射光。
纳米粒子的光学性质可以取决于纳米粒子的性质(例如，形状、结构、金属类型、成份和尺寸)以及纳米粒子所嵌入的周围介质(例如，介电材料或空气)。纳米粒子可以包括贵金属，诸如金、银、铂、铑、铱、钯、钌或锇。贵金属纳米粒子的吸收和散射效率可以由于SPR而得到强烈的增强。纳米粒子也可以是铜纳米粒子。纳米粒子表面等离子体共振的形状和峰值共振波长都可以取决于局部折射率。通过选择合适的纳米粒子尺寸、形状和成份以及选择合适的周围介质，可以使纳米粒子的峰值共振波长从电磁光谱的紫外波段通过可见波段调谐到近红外波段。
图12A包括曲线图1200，该曲线图示出了不同尺寸的金纳米粒子针对不同波长的光的消光效率的示例。如上所述，消光效率可以包括光吸收效率和光散射效率。曲线图1200中的曲线1210、1220、1230、1240、1250、1260、1270、1280和1290作为入射光的波长的函数，分别示出了直径为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm和100nm的金纳米粒子的消光效率。如曲线1210至1290所示，峰值消光效率可以随着纳米粒子的尺寸的增大而增大。此外，峰值消光波长也可以随着纳米粒子的尺寸的增大而增大。随着纳米粒子的直径从约20nm增加到约100nm，消光峰值可以从约520nm移动到约580nm，并且可以显著地加宽。因此，球形纳米粒子的光学性质高度取决于纳米粒子直径。
图12B包括曲线图1205，该曲线图示出了不同尺寸的金属纳米粒子针对不同波长的光的散射效率的示例。曲线图1205中的曲线1215、1225、1235、1245、1255、1265、1275、1285和1295作为入射光的波长的函数，分别示出了直径为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm和100nm的金纳米粒子的光散射效率。如曲线1215至1295所示，直径大于约40nm或50nm的纳米粒子可以使入射光散射，峰值散射效率可以随着纳米粒子尺寸的增大而增大。此外，峰值散射波长也可以随着纳米粒子的尺寸的增大而增大。具有更大球体的纳米粒子可以使更多的光散射，因为它们具有更大的光学截面，以及因为纳米粒子的反照率(albedo)(散射与总消光的比率)随着纳米粒子的尺寸的增大而增大。
图13A包括曲线图1300，该曲线图示出了不同尺寸的金属纳米粒子针对不同波长的光的散射截面的示例。曲线图1300中的曲线1310、1320、1330、1340、1350和1360作为入射光的波长的函数，分别示出了直径为50nm、60nm、70nm、80nm、90nm和100nm的金纳米粒子的光散射截面。曲线1310至1360示出了纳米粒子的最大散射截面可以随着纳米粒子尺寸的增大而增大。此外，具有最大散射截面的入射光的波长也可以随着纳米粒子的尺寸的增大而增大。
图13B包括曲线图1300，该曲线图示出了不同尺寸的金属纳米粒子的散射与总消光的比率(其可以被称为反照率)的示例。图13B示出了纳米粒子的反照率(散射与总消光的比率)随着纳米粒子的尺寸的增大而增大。
图14包括曲线图1400，该曲线图示出了不同周围介质中的金属纳米粒子的散射截面的示例。如上所述，金属纳米粒子的光学性质也可以取决于纳米粒子表面附近的材料的折射率。随着纳米粒子表面附近的材料的折射率增大，纳米粒子的消光效率也可以增大，纳米粒子消光光谱可以移向更长的波长。在图14所示的示例中，曲线1410示出了金纳米粒子在空气中的纳米粒子消光光谱(n＝1.0)，曲线1420示出了金纳米粒子在水中的纳米粒子消光光谱(n＝1.33)，曲线1430示出了金纳米粒子在二氧化硅(silica)中的纳米粒子消光光谱(n≈1.5)，其中，金纳米粒子的直径约为50nm。因此，当嵌入在高折射率材料中时，金属纳米粒子可以具有更大的消光截面，与最大消光截面相对应的波长也可以显著增大。在一些实施例中，可以通过使用非导电壳(诸如，二氧化硅(n≈1.5)壳或氧化铝(n≈1.58-1.68)壳)覆盖金属纳米粒子来调谐消光峰值。还可以调节壳的厚度，以将被覆盖的金属纳米粒子的峰值共振调节到期望的波长。
图15示出了根据某些实施例的微型LED 1500的示例，该微型LED在台面侧壁处包括用于使有源区中产生的光散射的金属纳米粒子。微型LED 1500可以是微型LED的一维阵列或二维阵列中的微型LED。微型LED 1500可以具有小于约100μm、小于约50μm、小于约20μm、小于约10μm、小于约5μm、小于约3μm、小于约2μm或小于约1μm的线性尺寸。微型LED 1500可以包括衬底1510，诸如衬底710或715。微型LED 1500可以包括n型半导体(例如，n型GaN或另一III-V族半导体)层1520、发光区1530(例如，包括InGaN/GaN或其它MQW)和p型半导体(例如，p型GaN或另一III-V族半导体)层1540。可以从p型半导体层1540的侧面刻蚀n型半导体层1520、发光区1530和p型半导体层1540，以形成台面结构。该台面结构可以具有竖直的形状、向内倾斜或向外倾斜的形状(诸如圆锥形或抛物线形状)。
微型LED 1500可以包括回归反射器1550(例如，高反射p接触物，诸如TCO/Ag或TCO/Au)。回归反射器1550可以具有高反射率，诸如大于约75％或约90％的反射率。微型LED1500还可以包括透明的钝化层1560，该钝化层形成在台面结构的侧壁上。钝化层1560可以是介电层(例如，SiO2或SiNx)，并且还可以用于减少台面结构的侧壁附近的载流子的非辐射复合。在一些实施例中，钝化层1560可以包括多层介电材料。在一些实施例中，可以相邻于钝化层1560形成TCO层。
绝缘材料1570可以填充与台面结构相邻的刻蚀区。绝缘材料1570可以包括透明绝缘材料，诸如SiO2、氮化硅、氧化铝、氧化钛、聚合物、环氧树脂、硅树脂等。绝缘材料1570还可以包括分散在透明绝缘材料中的金属纳米粒子，诸如贵金属(例如，金或银)纳米粒子或另一种金属的纳米粒子。金属纳米粒子可以包括纳米球、纳米棒、纳米壳、纳米笼或具有其它形状的纳米粒子。金属纳米粒子的金属材料、尺寸和形状以及透明绝缘材料可以被选择为，使得金属纳米粒子可以在发光区1530中发出的光的频率下具有表面等离子体共振。如此，当发光区1530中发出的光到达绝缘材料1570时，该光可以被绝缘材料1570散射或吸收。金属纳米粒子的尺寸可以选择为，使得光中入射在绝缘材料1570上的大部分光可以被散射回台面结构，以使得被捕获在台面结构中的光再混合，或者可以朝向微透镜1580散射，该微透镜可以将散射后的光自微型LED 1500耦出。金属纳米粒子使等离子体散射回台面结构中可以如图案化蓝宝石衬底技术那样使得光随机化，因此也可以如图案化蓝宝石衬底技术那样增大光提取效率。
微透镜1580还可以包括球面透镜或平面透镜，以进一步提高光提取效率。在一些实施例中，微透镜1580可以是非原生透镜，该非原生透镜形成在形成于微型LED 1500的半导体层的顶部上的材料层(诸如SiN层、SiO2层或聚合物层)中。在一些实施例中，微透镜1580可以是在微型LED 1500的半导体层(例如，衬底1510)中刻蚀的原生透镜，以减少由菲涅耳反射引起的损耗并且提高光提取效率。由于台面结构、绝缘材料1570中的等离子体散射、以及微透镜1580，使得微型LED 1500的光提取效率可以是高的，并且来自微型LED 1500的所发出的光的光束轮廓可以具有较小的HWHM角，诸如小于约30°(例如，小于约25°)。
上述LED的一维或二维阵列可以在晶圆上制造，以形成光源(例如，光源642)。驱动器电路(例如，驱动器电路644)可以例如使用CMOS工艺，在硅晶圆上制造。可以将晶圆上的LED和驱动器电路切成块，然后将二者结合在一起，或者可以将LED和驱动器电路在晶圆级别(wafer level)上结合，然后再切割。可以使用各种结合技术来结合LED和驱动器电路，例如粘合剂结合、金属与金属结合、金属氧化物结合、晶圆与晶圆结合、裸片(die)与晶圆结合、混合结合等。
图16A示出了根据某些实施例的用于LED阵列的裸片与晶圆结合的方法的示例。在图16A所示的示例中，LED阵列1601可以包括多个LED 1607，该多个LED位于载体衬底1605上。载体衬底1605可以包括各种材料，诸如GaAs、InP、GaN、AlN、蓝宝石、SiC、Si等。LED 1607可以通过例如在执行结合之前生长各种外延层、形成台面结构以及形成电接触物或电极而被制造。该外延层可以包括各种材料，诸如GaN、InGaN、(AlGaIn)P、(AlGaIn)AsP、(AlGaIn)AsN、(AlGaIn)Pas、(Eu:InGa)N、(AlGaIn)N等，并且可以包括n型层、p型层和有源层，该有源层包括一个或多个异质结构(诸如，一个或多个量子阱或MQW)。电接触物可以包括各种导电材料，诸如金属或金属合金。
晶圆1603可以包括基底层1609，该基底层具有制造于其上的无源集成电路或有源集成电路(例如，驱动器电路1611)。基底层1609可以包括例如硅晶圆。驱动器电路1611可以用于控制LED 1607的操作。例如，用于每个LED 1607的驱动器电路可以包括2T1C像素结构，该2T1C像素结构具有两个晶体管和一个电容器。晶圆1603还可以包括结合层(邦定层)1613。结合层1613可以包括各种材料，诸如金属、氧化物、电介质、CuSn、AuTi等。在一些实施例中，图案化层1615可以形成在结合层1613的表面上，其中，图案化层1615可以包括由导电材料(诸如Cu、Ag、Au、Al等)制成的金属格栅。
LED阵列1601可以经由结合层1613或图案化层1615结合到晶圆1603。例如，图案化层1615可以包括由各种材料(诸如CuSn、AuSn或纳米多孔Au)制成的金属焊盘或凸块，该金属焊盘或凸块可以用于将LED阵列1601中的LED 1607与晶圆1603上的相对应的驱动器电路1611对准。在一个示例中，LED阵列1601可以被朝向晶圆1603带动，直到LED 1607与对应于驱动器电路1611的相对应的金属焊盘或凸块接触为止。LED 1607中的一些或全部可以与驱动器电路1611对准，然后可以通过各种结合技术(例如金属与金属结合)经由图案化层1615结合到晶圆1603。在LED 1607已结合到晶圆1603之后，可以从LED 1607移除载体衬底1605。
图16B示出了根据某些实施例的用于LED阵列的晶圆对晶圆结合的方法的示例。如图16B所示，第一晶圆1602可以包括衬底1604、第一半导体层1606、有源层1608和第二半导体层1610。衬底1604可以包括各种材料，诸如GaAs、InP、GaN、AlN、蓝宝石、SiC、Si等。第一半导体层1606、有源层1608和第二半导体层1610可以包括各种半导体材料，诸如GaN、InGaN、(AlGaIn)P、(AlGaIn)AsP、(AlGaIn)AsN、(AlGaIn)Pas、(Eu:InGa)N、(AlGaIn)N等。在一些实施例中，第一半导体层1606可以是n型层，并且第二半导体层1610可以是p型层。例如，第一半导体层1606可以是n掺杂的GaN层(例如，掺杂有Si或Ge)，第二半导体层1610可以是p掺杂的GaN层(例如，掺杂有Mg、Ca、Zn或Be)。有源层1608可以包括，例如一个或多个GaN层、一个或多个InGaN层、一个或多个AlGaInP层等，这些层可以形成一个或多个异质结构(诸如一个或多个量子阱或MQW)。
在一些实施例中，第一晶圆1602还可以包括结合层。结合层(邦定层)1612可以包括各种材料，诸如金属、氧化物、电介质、CuSn、AuTi等。在一个示例中，结合层1612可以包括p接触物和/或n接触物(未示出)。在一些实施例中，第一晶圆1602上也可以包括其它层，诸如位于衬底1604和第一半导体层1606之间的缓冲层。该缓冲层可以包括各种材料，诸如多晶GaN或AlN。在一些实施例中，接触层可以位于第二半导体层1610和结合层1612之间。接触层可以包括用于向第二半导体层1610和/或第一半导体层1606提供电接触的任何合适的材料。
第一晶圆1602可以经由结合层1613和/或结合层1612结合至晶圆1603，该晶圆如上所述包括驱动器电路1611和结合层1613。结合层1612和结合层1613可以由相同的材料或不同的材料制成。结合层1613和结合层1612可以是大体平坦的。第一晶圆1602可以通过各种方法结合到晶圆1603，这些方法诸如金属与金属结合、共晶结合、金属氧化物结合、阳极结合、热压结合、紫外(Ultraviolet，UV)结合和/或熔融结合。
如图16B所示，第一晶圆1602可以按照第一晶圆1602的p侧(例如，第二半导体层1610)面朝下(即，朝向晶圆1603)的方式，结合到晶圆1603。结合之后，可以从第一晶圆1602移除衬底1604，然后可以从n侧处理第一晶圆1602。该处理可以包括，例如，为各个LED形成某些台面形状，以及形成与各个LED相对应的光学部件。
图17A至图17D示出了根据某些实施例的用于LED阵列的混合结合的方法的示例。混合结合通常可以包括晶圆清洁和活化、一个晶圆的接触物与另一个晶圆的接触物的高精度对准、晶圆的表面处的介电材料在室温下的电介质结合、以及接触物在升高的温度下通过退火处理的金属结合。图17A示出了衬底1710，该衬底具有在其上制造的无源电路或有源电路1720。如以上关于图8A至图8B描述的，衬底1710可以包括例如硅晶圆。电路1720可以包括用于LED阵列的驱动器电路。结合层可以包括介电区1740和接触焊盘1730，该接触焊盘通过电互连件1722连接到电路1720。接触焊盘1730可以包括，例如Cu、Ag、Au、Al、W、Mo、Ni、Ti、Pt、Pd等。介电区1740中的介电材料可以包括SiCN、SiO2、SiN、Al2O3、HfO2、ZrO2、Ta2O5等。结合层可以被平坦化和抛光，例如使用化学机械抛光，其中，平坦化或抛光可能导致接触焊盘中出现凹陷(碗状轮廓)。可以通过例如离子(例如，等离子体)或快速原子(例如，Ar)束1705对结合层的表面进行清洁和活化。活化后的表面可以是原子清洁的，并且可以有反应性，用于当多个晶圆例如在室温下处于接触状态时，形成晶圆之间的直接结合。
图17B示出了晶圆1750，该晶圆包括如上文关于例如图7A、图7B、图16A和图16B所述的在其上制造的微型LED1770的阵列。晶圆1750可以是载体晶圆，可以包括例如GaAs、InP、GaN、AlN、蓝宝石、SiC、Si等。微型LED1770可以包括在晶圆1750上外延生长的n型层、有源区和p型层。外延层可以包括上述各种III-V族半导体材料，并且可以从p型层侧进行处理，以在外延层中刻蚀台面结构，诸如大体竖直的结构、抛物线结构、圆锥形结构等。钝化层和/或反射层可以形成在台面结构的侧壁上。P接触物1780和n接触物1782可以形成在沉积于台面结构上的介电材料层1760中，并且可以分别与p型层和n型层电接触。介电材料层1760中的介电材料可以包括，例如SiCN、SiO2、SiN、Al2O3、HfO2、ZrO2、Ta2O5等。P接触物1780和n接触物1782可以包括，例如Cu、Ag、Au、Al、W、Mo、Ni、Ti、Pt、Pd等。P接触物1780的顶面、n接触物1782的顶面和介电材料层1760的顶面可以形成结合层。结合层可以用例如化学机械抛光被平坦化和抛光，其中，抛光可能导致p接触物1780和n接触物1782中出现凹陷。然后，可以通过例如离子(例如，等离子体)或快速原子(例如，Ar)束1715对结合层进行清洁和活化。活化后的表面可以是原子清洁的且有反应性，用于当多个晶圆例如在室温下处于接触状态时，形成晶圆之间的直接结合。
图17C示出了用于使结合层中的介电材料结合的室温结合工艺。例如，在包括介电区1740和接触焊盘1730的结合层和包括p接触物1780、n接触物1782和介电材料层1760的结合层被表面活化之后，晶圆1750和微型LED 1770可以上下翻转并且与衬底1710和形成在其上的电路处于接触状态。在一些实施例中，可以向衬底1710和晶圆1750施加压缩压力1725，使得结合层彼此压靠。由于表面活化和接触物中的凹陷，使得介电区1740和介电材料层1760可能由于表面吸引力而直接接触，并且因为表面原子可能具有悬空键并且在活化后可能处于不稳定的能量状态，所以这些原子之间可能发生反应并且形成化学键。因此，介电区1740和介电材料层1760中的介电材料可以在有或没有热处理或压力的情况下结合在一起。
图17D示出了用于在使结合层中的介电材料结合之后，使结合层中的接触物结合的退火工艺。例如，接触焊盘1730和p接触物1780或n接触物1782可以通过例如在约200-400℃或更高的温度下退火，结合在一起。在退火工艺中，热量1735可以使得接触物比介电材料膨胀得更多(由于热膨胀系数不同)，因此可以封闭接触物之间的凹陷间隙，使得接触焊盘1730和p接触物1780或n接触物1782可以接触，并且可以在活化表面处形成直接金属结合。
在一些实施例中，两个结合的晶圆包括具有不同热膨胀系数(Coefficient ofThermal Expansion，CTE)的材料，介电材料在室温下结合可以有助于减少或防止由不同的热膨胀导致的接触焊盘的错位。在一些实施例中，为了在退火期间进一步减少或避免接触焊盘在高温下的错位，可以在结合之前，在微型LED之间、微型LED组之间通过衬底的一部分或全部形成沟槽等。
在将微型LED结合到驱动器电路之后，可以减薄或去除在其上制造微型LED的衬底，并且可以在微型LED的发光表面上制造各种次级光学部件，以例如提取从微型LED的有源区发出的光、对该光进行准直以及重新引导该光。在一个示例中，微透镜可以形成在微型LED上，其中，每个微透镜可以与各自的微型LED相对应，并且可以有助于提高光提取效率并对由微型LED发出的光进行准直。在一些实施例中，可以在微型LED的衬底或n型层中制造次级光学部件。在一些实施例中，可以在沉积于微型LED的n型侧上的介电层中制造次级光学部件。次级光学部件的示例可以包括透镜、光栅、抗反射(Antireflection，AR)涂层、棱镜、光子晶体等。
图18示出了根据某些实施例的LED阵列1800的示例，该LED阵列具有在其上制造的次级光学部件。可以通过使用以上关于例如图16A至图17D描述的任何合适的结合技术，将LED芯片或晶圆与硅晶圆结合来制造LED阵列1800，其中，该硅晶圆包括在其上制造的电路。在图18所示的示例中，可以使用如以上关于图17A至图17D描述的晶圆与晶圆混合结合技术来结合LED阵列1800。LED阵列1800可以包括衬底1810，该衬底可以是例如硅晶圆。集成电路1820(诸如，LED驱动器电路)可以被制造在衬底1810上。集成电路1820可以通过互连件1822和接触焊盘1830连接到微型LED 1870的p接触物1874和n接触物1872，其中，接触焊盘1830可以与p接触物1874和n接触物1872形成金属结合。衬底1810上的介电层1840可以通过熔融结合而结合到介电层1860。
LED芯片或晶圆的衬底(未示出)可以被减薄或者可以被去除，以暴露微型LED1870的n型层1850。各种次级光学部件(诸如球形的微透镜1882、光栅1884、微透镜1886、抗反射层1888等，)可以形成在n型层1850中或该n型层的顶部。例如，可以使用灰度掩模和对曝光的光有线性响应的光刻胶，或者使用通过图案化光刻胶层的热回流形成的刻蚀掩模，在微型LED 1870的半导体材料中刻蚀球形的微透镜阵列。也可以使用相似的光刻技术或其它技术，在沉积于n型层1850上的介电层中刻蚀次级光学部件。例如，可以通过聚合物层的热回流在聚合物层中形成微透镜阵列，该聚合物层使用二元掩模板图案化。聚合物层中的微透镜阵列可以用作次级光学部件，或者可以用作用于将微透镜阵列的轮廓转移到介电层或半导体层中的刻蚀掩模。介电层可以包括，例如SiCN、SiO2、SiN、Al2O3、HfO2、ZrO2、Ta2O5等。在一些实施例中，微型LED 1870可以具有多个相应的次级光学部件，诸如微透镜和抗反射涂层、半导体材料中刻蚀的微透镜和介电材料层中刻蚀的微透镜、微透镜和光栅、球面透镜和非球面透镜等。图18中示出了三个不同的次级光学部件，以示出可以形成在微型LED1870上的次级光学部件的一些示例，这并不一定意味着不同的次级光学部件同时用于每个LED阵列。
本文公开的实施例可以用于实施人工现实系统的部件，或者可以结合人工现实系统来实施。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式调整的现实形式，该人工现实可以包括例如虚拟现实、增强现实、混合现实(mixed reality)、混合现实(hybrid reality)或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与采集的(例如，现实世界)内容组合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，以上任何一者可以在单通道中或多通道(诸如，向观看者带来三维效果的立体视频)中呈现。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用程序、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联，这些应用程序、产品、附件、服务或它们的某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其它方式用于人工现实中(例如，在其中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实施，这些平台包括连接到主计算机系统的HMD、独立HMD、移动装置或计算系统、或者能够向一位或多位观看者提供人工现实内容的任意其它硬件平台。
图19是用于实施本文公开的多个示例中的一些示例的示例近眼显示器(例如，HMD装置)的示例电子系统1900的简化框图。电子系统1900可以用作HMD装置的电子系统或上述其它近眼显示器的电子系统。在该示例中，电子系统1900可以包括一个或多个处理器1910和存储器1920。一个或多个处理器1910可以被配置为执行用于在多个部件处执行操作的指令，可以是例如适合于在便携式电子装置内实施的通用处理器或微处理器。一个或多个处理器1910可以与电子系统1900内的多个部件通信地耦接。为了实现这种通信耦接，一个或多个处理器1910可以通过总线1940与示出的其它部件通信。总线1940可以是适于在电子系统1900内传输数据的任何子系统。总线1940可以包括多个计算机总线和附加电路，以传输数据。
存储器1920可以耦接到一个或多个处理器1910。在一些实施例中，存储器1920可以提供短期存储和长期存储这二者，并且可以被划分成若干单元。存储器1920可以是易失性的(诸如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)和/或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM))，和/或非易失性的(诸如只读存储器(Read-only Memory，ROM)、闪存等)。此外，存储器1920可以包括可移动存储装置，诸如安全数字(Secure Digital，SD)卡。存储器1920可以为电子系统1900提供对计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的存储。在一些实施例中，存储器1920可以分布到不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以存储在存储器1920上。这些指令可以采用可以能够由电子系统1900执行的可执行代码的形式，和/或可以采用源代码和/或可安装代码的形式，该源代码和/或可安装代码在电子系统1900上编译和/或安装时(例如，使用多种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任一者)，可以采用可执行代码的形式。
在一些实施例中，存储器1920可以存储多个应用程序模块1922至1924，这些应用程序模块可以包括任意数量的应用程序。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序或其它合适的应用程序。应用程序可以包括深度感测功能或眼睛追踪功能。应用程序模块1922至1924可以包括待由一个或多个处理器1910执行的特定指令。在一些实施例中，某些应用程序或应用程序模块1922至1924的部分可以能够由其它硬件模块1980执行。在某些实施例中，存储器1920可以另外包括安全存储器，该安全存储器可以包括附加的安全控制，以防止对安全信息的复制或其它未授权访问。
在一些实施例中，存储器1920可以包括加载在其中的操作系统1925。操作系统1925可以是可操作的，以启动由应用程序模块1922至1924提供的指令的执行，和/或管理其它硬件模块1980以及与可以包括一个或多个无线收发器的无线通信子系统1930交互。操作系统1925可以适于跨电子系统1900中的部件执行其它操作，这些操作包括线程(threading)、资源管理、数据存储控制和其它类似功能。
无线通信子系统1930可以包括，例如红外通信装置、无线通信装置和/或芯片组(诸如，
Figure BDA0004088894570000301
装置、IEEE 802.11装置、Wi-Fi装置、WiMax装置、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统1900可以包括用于无线通信的一个或多个天线1934，该一个或多个天线作为无线通信子系统1930的一部分或作为耦接到该系统的任何部分的单独部件。取决于期望的功能，无线通信子系统1930可以包括与基地收发站和其它无线装置和接入点通信的单独的收发器，该收发器可以包括与不同的数据网络和/或网络类型(诸如无线广域网(Wireless Wide-area Network，WWAN)、无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)或无线个域网(Wireless Personal Area Network，WPAN))通信。WWAN可以为，例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以为例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以为例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其它类型的网络。本文中描述的技术还可以用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任意组合。无线通信子系统1930可以允许与网络、其它计算机系统和/或本文描述的任意其它装置交换数据。无线通信子系统1930可以包括用于使用一个或多个天线1934和一个或多个无线链路1932发送或接收数据(诸如HMD装置的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统1930、一个或多个处理器1910和存储器1920可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的一个或多个装置的至少一部分。
电子系统1900的实施例还可以包括一个或多个传感器1990。一个或多个传感器1990可以包括，例如图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近传感器(proximity sensor)、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合了加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器、或可操作以提供传感输出和/或接收传感输入的任何其它类似模块(诸如深度传感器或位置传感器)。例如，在一些实施方式中，一个或多个传感器1990可以包括一个或多个惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)和/或一个或多个位置传感器。IMU可以基于接收到的来自位置传感器中的一个或多个的测量信号，生成校准数据，该校准数据表示HMD装置相对于HMD装置的初始位置的估计位置。位置传感器可以响应于HMD装置的运动，生成一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于，一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的类型的传感器、或它们的任意组合。位置传感器可以位于IMU外部、IMU内部或它们的任意组合。至少一些传感器可以使用结构化光图案进行感测。
电子系统1900可以包括显示模块1960。显示模块1960可以是近眼显示器，并且可以图形化地向用户呈现来自电子系统1900的信息，该信息诸如图像、视频和各种指令。这样的信息可以从一个或多个应用程序模块1922至1924、虚拟现实引擎1926、一个或多个其它硬件模块1980、它们的组合、或者用于解析用户的图形内容(例如，通过操作系统1925)的任何其它合适的装置得到。显示模块1960可以使用LCD技术、LED技术(包括例如，OLED、ILED、μ-LED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示(Light Emitting Polymer Display，LPD)技术或某种其它显示技术。
电子系统1900可以包括用户输入/输出模块1970。用户输入/输出模块1970可以允许用户向电子系统1900发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用程序或在应用程序内执行特定动作。用户输入/输出模块1970可以包括一个或多个输入装置。示例输入装置可以包括触控屏、触控板、一个或多个麦克风、一个或多个按钮、一个或多个旋钮、一个或多个开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并且将所接收的动作请求向电子系统1900传送的任意其它合适的装置。在一些实施例中，用户输入/输出模块1970可以根据接收到的来自电子系统1900的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到或已经执行动作请求时提供触觉反馈。
电子系统1900可以包括摄像头1950，该摄像头可以用于拍摄用户的照片或视频，例如用于追踪用户的眼睛位置。摄像头1950还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如用于VR、AR或MR应用程序。摄像头1950可以包括，例如具有几百万或几千万像素的互补金属氧化物半导体(Complementarymetal-oxide-semiconductor，CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，摄像头1950可以包括可以用于采集3D图像的两个或更多个摄像头。
在一些实施例中，电子系统1900可以包括多个其它硬件模块1980。其它硬件模块1980中的每个硬件模块可以是电子系统1900内的物理模块。尽管其它硬件模块1980中的每个硬件模块可以被永久地配置为结构，但是其它硬件模块1980中的一些硬件模块可以被暂时地配置为执行特定功能或被暂时激活。其它硬件模块1980的示例可以包括，例如音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(Near Field Communication，NFC)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施例中，其它硬件模块1980的一种或多种功能可以以软件实施。
在一些实施例中，电子系统1900的存储器1920还可以存储虚拟现实引擎1926。虚拟现实引擎1926可以执行电子系统1900内的应用程序，以及接收来自各种传感器的HMD装置的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或它们的任意组合。在一些实施例中，由虚拟现实引擎1926接收的信息可以用于向显示模块1960生成信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息表示用户已经看向左侧，则虚拟现实引擎1926可以为HMD装置生成反映用户在虚拟环境中的运动的内容。此外，虚拟现实引擎1926可以响应于接收到的来自用户输入/输出模块1970的动作请求，在应用程序内执行动作，并且向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉、听觉或触觉反馈。在一些实施方式中，一个或多个处理器1910可以包括可以执行虚拟现实引擎1926的一个或多个GPU。
在各种实施方式中，上述硬件和模块可以在单个装置上实施，或在可以在使用有线或无线连接彼此通信的多个装置上实施。例如，在一些实施方式中，一些部件或模块(诸如GPU、虚拟现实引擎1926和应用程序(例如，追踪应用程序))可以在与头戴式显示装置分开的控制台上实施。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到或支持多于一个HMD。
在替代的配置中，电子系统1900中可以包括不同和/或附加的部件。类似地，这些部件中的一个或多个部件的功能可以以不同于上述方式的方式分布在多个部件中。例如，在一些实施例中，电子系统1900可以被修改为包括其它系统环境，诸如AR系统环境和/或MR系统环境。
以上论述的方法、系统和装置为示例。各种实施例可以视情况省略、替代或增加各种程序或部件。例如，在替代的配置中，可以以不同于所描述的顺序执行所描述的方法，和/或可以增加、省略和/或组合各种阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其它实施例中组合。实施例的不同方面和元件可以以相似的方式组合。此外，技术在发展，因此这些元件中的许多元件为示例，这些示例并不会将本公开的范围限制于那些特定示例。
在描述中给出具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。例如，为了避免使实施例模糊，已经在没有非必要的细节的情况下示出了众所周知的电路、过程、系统、结构和技术。本描述仅提供示例的实施例，并且不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。而是，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实施各种实施例的使能描述。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
此外，将一些实施例作为被描绘为流程图或框图的过程进行了描述。尽管每个可以将操作描述为顺序过程，但是这些操作中的许多操作可以并行或同时执行。此外，可以重新排列这些操作的顺序。过程可以具有图中未包括的附加步骤。此外，方法的实施例可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或它们的任意组合实施。当以软件、固件、中间件或代微码实施时，用于执行相关任务的程序代码或代码段可以存储在计算机可读介质(诸如存储介质)中。处理器可以执行相关的任务。
对本领域技术人员来说将显而易见的是，可以根据具体要求进行实质性改变。例如，还可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，诸如小程序等)或两者实施特定元件。此外，可以采用与其它计算装置(诸如网络输入/输出装置)的连接。
参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂态机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供数据以使机器以特定方式运行的任意存储介质。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或一个或多个其它装置提供以供执行的指令/代码附加地或替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携载这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质为物理和/或有形存储介质。这样的介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。常见形式的计算机可读介质包括，例如磁和/或光学介质(诸如光盘(Compact Disk，CD)或数字多功能光盘(Digital Versatile Disk，DVD))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任意其它物理介质、RAM、可编程只读存储器(Programmable Read-only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-only Memory，EPROM)、闪存-EPROM(FLASH-EPROM)、任何其它存储器芯片或盒式存储器(cartridge)，如下文所述的载波，或计算机可从其读取指令和/或代码的任意其它介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，该代码和/或机器可执行指令可以表示过程、功能、子程序、程序、例程、应用程序(Application，App)、子例程、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任何组合。
本领域技术人员将理解的是，用于传送本文所描述的消息的信息和信号可以使用多种不同科技和技术中的任一种来表示。例如，整个上述描述中可能引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片可以使用电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或它们的任意组合来表示。
如本文所使用的术语“和”和“或”可以包括多种含义，其中，也至少部分基于使用这些术语时的上下文来预料这些含义。通常，“或”如果用于关联一列表，诸如A、B或C，则旨在表示A、B和C(此处用于包括性意义)以及A、B或C(此处用于排它性意义)。此外，如本文所使用的术语“一个或多个”可以用于以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用于描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意的是，这仅仅是说明性示例，并且所要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“至少一个”如果用于关联一列表，诸如A、B或C，则可以解释为A、B和/或C的任何组合(诸如，A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等)。
此外，尽管已经使用硬件和软件的特定组合对某些实施例进行了描述，但是应当认识到的是，硬件和软件的其它组合也是可以的。某些实施例可以仅以硬件、或仅以软件、或使用它们的组合来实现。在一个示例中，软件可以使用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现，该计算机程序代码或指令可以由一个或多个处理器执行，从而执行本公开中描述的多个步骤、多个操作或多个过程中的任何或全部，其中，计算机程序可以存储在非暂态计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在同一处理器或以任意组合的不同处理器上实现。
在设备、系统、部件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，这种配置可以例如通过如下来完成：通过设计电子电路来执行该操作，通过对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程来执行该操作(诸如通过执行计算机指令或代码)或通过被编程的处理器或内核来执行存储在非暂态存储介质上的代码或指令来执行该操作，或它们的任何组合。进程可以使用多种技术进行通信，这些技术包括但不限于用于进程间通信的传统技术，并且不同的进程对可以使用不同的技术，或者同一进程对在不同的时间可以使用不同的技术。
因此，说明书和附图应被认为是说明性的，而非限制性的。然而，将显而易见的是，在不脱离如权利要求中所阐述的更广泛的范围的情况下，还可以进行添加、减去、删除以及其它修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但这些具体实施例并不旨在进行限制。各种修改和等同均落入所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种微型发光二极管，包括：
衬底；
台面结构，所述台面结构包括形成在所述衬底上的多个半导体层，所述台面结构包括被配置为发出第一波长的光的发光区；以及
绝缘材料层，所述绝缘材料层位于所述台面结构的侧壁上，所述绝缘材料层包括：
透明绝缘材料；以及
金属纳米粒子，所述金属纳米粒子浸入所述透明绝缘材料中，
其中，所述透明绝缘材料和所述金属纳米粒子被配置为，使得所述第一波长的光与所述金属纳米粒子相互作用，以引起所述金属纳米粒子上的表面等离子体共振。
2.根据权利要求1所述的微型发光二极管，其中，所述金属纳米粒子包括贵金属纳米粒子或铜纳米粒子。
3.根据权利要求1或2所述的微型发光二极管，其中，所述金属纳米粒子包括纳米球、纳米棒、纳米笼或纳米壳。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述金属纳米粒子具有大于50nm的线性尺寸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述金属纳米粒子具有大于100nm的线性尺寸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述金属纳米粒子涂覆有非导电材料层，所述非导电材料层形成所述金属纳米粒子的壳。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述透明绝缘材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝或硅树脂。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述绝缘材料层的特性在于，对于所述第一波长的光，散射与总消光的比率大于50％。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，还包括透明钝化层，所述透明钝化层位于所述台面结构的所述侧壁与所述绝缘材料层之间。
10.根据权利要求9所述的微型发光二极管，其中，所述透明钝化层包括氧化硅或氮化硅。
11.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述台面结构的所述侧壁包括竖直侧壁、向内倾斜的侧壁、向外倾斜的侧壁、圆锥形侧壁或抛物线侧壁。
12.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述台面结构具有小于50μm、小于20μm或小于10μm的横向线性尺寸。
13.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，其中：
所述台面结构包括n型半导体层和p型半导体层；以及
所述发光区位于所述n型半导体层和所述p型半导体层之间。
14.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，还包括回归反射器，所述回归反射器位于所述台面结构上，所述回归反射器包括金属接触层。
15.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，还包括微透镜，所述微透镜被配置为将所述第一波长的光自所述微型发光二极管耦出。
16.根据前述权利要求中任一项所述的微型发光二极管，其中，所述第一波长的光包括红光、绿光或蓝光。
17.一种微型发光二极管阵列，包括：
衬底；
多个台面结构，所述多个台面结构位于所述衬底上，所述多个台面结构中的每个台面结构包括被配置为发出第一波长的光的发光区；以及
绝缘材料，所述绝缘材料位于所述多个台面结构之间，所述绝缘材料包括：
透明绝缘材料；以及
金属纳米粒子，所述金属纳米粒子分散在所述透明绝缘材料中；
其中，所述透明绝缘材料和所述金属纳米粒子被配置为，使得所述第一波长的光与所述金属纳米粒子相互作用，以引起所述金属纳米粒子上的表面等离子体共振。
18.根据权利要求17所述的微型发光二极管阵列，其中：
所述金属纳米粒子包括贵金属纳米粒子或铜纳米粒子；以及
所述金属纳米粒子包括纳米球、纳米棒、纳米笼或纳米壳。
19.根据权利要求17或18所述的微型发光二极管阵列，其中，所述绝缘材料层的特性在于，对于所述第一波长的光，散射与总消光的比率大于50％。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的微型发光二极管阵列，其中，所述透明绝缘材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝或硅树脂。
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