CN116344719A - 一种小出光角的Micro-LED结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小出光角的Micro‑LED结构。所述Micro‑LED结构，包括Micro‑LED台面、光转向层、光聚集层；Micro‑LED台面结构主要包括N掺杂区、多量子阱层、P掺杂区等；光转向层结构包括：金属反射层、高折射率透明介质层、低折射率透明介质层；光聚集层结构包括：一维光子晶体、二维光子晶体。该结构主要优势在于，可减小Micro‑LED出光角度并增大出光面法向的光强，同时可抑制侧壁出光，使Micro‑LED更好地应用于近眼显示等领域。
Description
技术领域
本发明及光电子领域和显示领域，特别是涉及一种小出光角的Micro-LED结构。
背景技术
如今显示设备发展呈现多样化的趋势，近眼显示、投影设备都已成为热门的研究对象，拥有着广阔的商业前景。优秀的显示设备要求显示器件具备高亮度、高分辨率、高对比度等品质，并且消费者对于此类品质的要求日益提高。OLED和LCD是目前使用最广泛的两种显示器件，但由于自身局限性，已难以推动显示设备朝着更高性能的方向发展，而Micro-LED比上述两种器件有着更优异的性能。Micro-LED是微缩化的无机发光二极管，通过电子和空穴的辐射复合进行发光，它具有亮度高、寿命长、对比度高、响应速度快等优点，被认为是当下最具潜力的显示器件。OLED由有机材料构成，相比于无机材料，它的寿命短，亮度低，也有烧屏、频闪等问题。LCD显示芯片的亮度占比较低，并且光源的利用率也很低。亮度不高、响应时间较长等问题使LCD在新型显示技术的应用领域受到了诸多限制。Micro-LED所用的材料主要是无机GaN，对封装的要求不像OLED那样高。另外，Micro-LED属于自发光器件，相比于LCD，它有利于减小光机体积、降低显示设备的厚度。Micro-LED的响应时间是纳秒级，快于OLED的微秒级和LCD的毫秒级。Micro-LED的对比度可达1000000：1，远高于LCD的5000：1和OLED的10000：1。因此，Micro-LED的应用可大幅提高近眼显示、投影等设备性能，是新型显示技术领域最具竞争力的发光器件。
近眼显示、投影设备要求发光器件具有很小的出光角，目前主流的减小Micro-LED出光角的方法包括微透镜、光子晶体、侧壁反射层等。这些方法存在着一些局限性：①微透镜结构虽然可以对Micro-LED发出的光线进行良好的准直优化，但需要其尺寸远大于Micro-LED芯片尺寸，如此便限制了像素排列周期的微缩化，不利于制造高分辨率显示设备。②光子晶体是周期性排列的介质，其光子禁带特性可以限制光的传播方向以达到缩小Micro-LED出光角度的效果，若要充分利用光子禁带特性，光子晶体必须刻蚀在多量子阱层，这样会导致更多的量子阱缺陷，降低内量子效率。而对于刻蚀较浅的光子晶体，主要是利用光栅特性来缩小出光角，但是由于光栅往往存在多个衍射方向，Micro-LED仍然会有大角度出光。③侧壁反射层对Micro-LED的侧壁倾角有一定的要求，只有当侧壁与垂直方向的夹角足够大（约60°）时，才可以实现较好的准直效果，但过大的侧壁角度在工艺上很难实现。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题，提供一种小出光角的Micro-LED结构，将Micro-LED多量子阱层发出的光线尽可能多的转移至芯片顶部出光面，并通过顶部光聚集层进行出光角缩小化，旨在优化现有Micro-LED发光特性，使其光强分布更适用于近眼显示、投影等设备。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种小出光角的Micro-LED结构，包括Micro-LED台面、光转向层、光聚集层；所述光转向层包覆于Micro-LED台面侧壁及底面，所述光聚集层位于Micro-LED台面顶部。
在本发明一实施例中，所述Micro-LED台面结构包括从上到下依次设置的N掺杂区、多量子阱层、P掺杂区、ITO层。
在本发明一实施例中，所述光转向层通过全反射、镜面反射的效果改变光的传播方向；不同的反射原理采用不同的材料与结构，具体如下：
①全反射：光转向层包括内、外两层透明介质；内层透明介质层紧贴Micro-LED台面，材料为低折射率透明介质，其折射率小于2，低折射率透明介质材料包括SiO2、Al2O3、HfO2、MgO，厚度为0.1~5 μm；外层透明介质层采用材料为高折射率透明介质，其折射率大于2，高折射率透明介质材料包括TiO2、GaN、SiC、ZnO、SiN、GaP、GaAs，厚度为0.1~5 μm；
②镜面反射：光转向层包括内、外两层介质；内层介质层为透明绝缘层，厚度为0.05~2 μm，透明绝缘层材料包括SiO2、Al2O3、HfO2、MgO；外层介质层为金属反射层，厚度为0.05~2μm，金属反射层材料包括Ag、Al、Au。
在本发明一实施例中，所述内层、外层透明介质层以及透明绝缘层的制备方法包括原子层沉积、化学气相沉积、溶液法、热蒸镀、电子束蒸发。
在本发明一实施例中，所述金属反射层的制备方法包括化学气相沉积、电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射。
在本发明一实施例中，所述光聚集层由衍射层、透明介质和增透层组成；底层为衍射层，结构包括二维光子晶体；中间层为透明介质，用于传导光线并分隔衍射层和增透层；上层为增透层，结构包括一维光子晶体，其排列周期方向为光出射面的法线方向。
在本发明一实施例中，所述透明介质底部可依次制作额外的衍射层和透明介质，可循环叠加多层；所述透明介质材料包括Al2O3、TiO2、SiO2、聚氯乙烯。
在本发明一实施例中，所述一维光子晶体、二维光子晶体的光子晶体排列方式包括矩形、六边形，光子晶体微元形状包括孔型、柱型、环型、锥形。
在本发明一实施例中，所述Micro-LED台面形状包括倒梯形、矩形、三角形、圆形。
在本发明一实施例中，所述Micro-LED台面形状包括倒梯形、矩形、三角形、圆形。
根据权利要求1所述的一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，所述Micro-LED台面刻蚀方法包括电感耦合等离子体、反应离子刻蚀。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明能够大幅缩小传统Micro-LED的出光角，使其可以满足近眼显示、投影等设备对于显示器件的出光角要求。
附图说明
图1是本发明实施例1小出光角Micro-LED的结构示意图。
图2是本发明实施例2小出光角Micro-LED的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种小出光角的Micro-LED结构，包括Micro-LED台面、光转向层、光聚集层；所述光转向层包覆于Micro-LED台面侧壁及底面，所述光聚集层位于Micro-LED台面顶部。
以下通过实例详细说明本申请技术方案。
实施例1
本实施例提供一种小出光角Micro-LED结构，所述Micro-LED台面为倒梯形结构，顶部存在蓝宝石，Micro-LED台面与蓝宝石的界面处刻蚀有二维光子晶体，蓝宝石上方沉积了一维光子晶体，Micro-LED台面底部以及侧壁依次镀有SiO2透明绝缘层和Ag反射层。
图1是实施例1的小出光角Micro-LED的结构示意图，其他更多同样的结构在此不一一赘述。更具体地，图1中101为一维光子晶体，由TiO2和SiO2交替构成，作用是限制大角度出光；102为蓝宝石层，作用是充当两种光子晶体之间的固体透光介质；103为N-GaN台面，主要作用是电子传输，102与103之间刻蚀有二维光子晶体，其排列形式可以为六边形、矩形等，微元结构可为锥状、柱状、截头圆锥状等，周期0.5~2 μm，占空比0.3~0.9，高度0.2~1 μm；104为多量子阱层，主要作用为电子空穴复合提供场所；105为P-GaN层，主要作用是空穴传输；106为ITO层，是透明电极，作用为促进电流扩展；107为P电极，通常为镍/金合金；108为N电极，通常是钛/铝/镍/金；109为SiO2绝缘层，作用是保护Micro-LED；110为Ag反射膜，作用是反射Micro-LED内部射向侧壁的光，提高正面出光效率。
更具体地，本实施例1减小出光角的物理原理如下：从Micro-LED芯片内部射向二维光子晶体的光线传播方向会发生改变。若光子晶体排列参数选取得当，光线会得到一定程度的聚集，相比于无光子晶体的结构，大角度出射的光线减少，小角度出射的光线增多。一维光子晶体可进一步缩小光线出射角，利用光子禁带效应使一部分光线被反射，另一部分光线透射到结构外界。通过调整介质材料和厚度，可以尽量使小入射角的光线透射到结构外界，大入射角的光线被反射。被一维光子晶体反射的光线会受到衍射层二维光子晶体、侧壁光转向层等结构的作用而重新入射到一维光子晶体表面，此时入射角已发生改变，若入射角较小即可出射到Micro-LED结构外界，若入射角仍然较大则重复上述过程，直到以小出射角逃逸到外界或被材料吸收殆尽。特别地，对于发光中心波长约450 nm的蓝光MicroLED芯片而言，顶部TiO2与SiO2介质层的厚度分别大约为40 nm、130 nm。
更具体地，工艺实施流程如下：
①使用MOCVD工艺在蓝宝石衬底上依次逐层生长出Micro-LED外延层，结构包括3μm n-GaN、100 nm MQW、100 nm p-GaN。
②使用激光剥离技术去除蓝宝石衬底。
③使用ICP干法刻蚀在n-GaN表层制作一层二维光子晶体。
④使用MOCVD工艺在n-GaN上方沉积约2 μm的蓝宝石层。
⑤使用电子束蒸发在蓝宝石上方交替沉积TiO2和SiO2，总厚度约2.4 μm，单层的TiO2与SiO2厚度分别大约为40 nm、130 nm。
⑥使用磁控溅射工艺在P-GaN表层制作ITO膜。
⑦使用ICP干法刻蚀工艺刻蚀出Micro-LED台面。
⑧使用化学气相沉积技术和热蒸镀技术在Micro-LED台面表面依次沉积SiO2保护层和金属反射层，并使用ICP干法刻蚀开孔。
⑨使用热蒸镀技术制备电极。
实施例2
本实施例提供一种小出光角Micro-LED结构，所述Micro-LED台面为倒梯形结构，顶部存在蓝宝石，Micro-LED台面与蓝宝石的界面处刻蚀有二维光子晶体，蓝宝石上方沉积了一维光子晶体，Micro-LED台面底部以及侧壁从内到外依次含有SiO2透明介质层、TiO2透明介质层。
图2为实施例2的小出光角Micro-LED的结构示意图，其他更多同样的结构在此不一一赘述。更具体地，本发明实施例2所提出的小出光角Micro-LED结构，其结构、材料与实施例1基本一致，与实施例1不同的是，在本实施例中，110为一层TiO2，厚度约2~3 μm。TiO2折射率较高，在蓝光波段约2.5，可以通过全反射来限制光线从Micro-LED侧壁出射。结构110、结构109以及外界空气或封装材料共同形成了波导结构，110为波导芯层，109与外界空气或封装材料共同作为波导覆盖层，可以将Micro-LED内部射向侧壁、底面的光传导至正面。在本实施例中，109的光学作用除充当波导结构的覆盖层外，也是确保Micro-LED台面侧壁可以产生全反射的低折射率介质。倒梯形Micro-LED侧壁倾斜，开口朝上，侧壁处的反射效果有助于提高Micro-LED正面出光的效率。对比实施例1，本实施例有益之处在于，TiO2为绝缘材料，降低了电路和器件的潜在短路风险，同时Micro-LED的侧壁和底面均存在两处全反射界面（①103与109的界面、②110与外界空气或封装材料的边界），对侧壁和底面的出光仍然有较强的限制。顶部光子晶体减小出光角的物理原理与实施例1类似，此处不再赘述。
更具体地，本实施例工艺流程①至⑦步骤与实施例1大致相同，剩余流程包括：
⑧使用电子束蒸发工艺在Micro-LED台面表面依次沉积SiO2保护层和较厚的TiO2介质层，并使用ICP刻蚀法在SiO2保护层和TiO2介质层中开孔。
⑨使用ICP刻蚀法将TiO2介质层刻蚀成矩形。
⑩使用热蒸镀制作电极。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，包括Micro-LED台面、光转向层、光聚集层；所述光转向层包覆于Micro-LED台面侧壁及底面，所述光聚集层位于Micro-LED台面顶部。
2.根据权利要求1所述的一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，所述Micro-LED台面结构包括从上到下依次设置的N掺杂区、多量子阱层、P掺杂区、ITO层。
3.根据权利要求1所述的一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，所述光转向层通过全反射、镜面反射的效果改变光的传播方向；不同的反射原理采用不同的材料与结构，具体如下：
①全反射：光转向层包括内、外两层透明介质；内层透明介质层紧贴Micro-LED台面，材料为低折射率透明介质，其折射率小于2，低折射率透明介质材料包括SiO2、Al2O3、HfO2、MgO，厚度为0.1~5 μm；外层透明介质层采用材料为高折射率透明介质，其折射率大于2，高折射率透明介质材料包括TiO2、GaN、SiC、ZnO、SiN、GaP、GaAs，厚度为0.1~5 μm；
②镜面反射：光转向层包括内、外两层介质；内层介质层为透明绝缘层，厚度为0.05~2μm，透明绝缘层材料包括SiO2、Al2O3、HfO2、MgO；外层介质层为金属反射层，厚度为0.05~2μm，金属反射层材料包括Ag、Al、Au。
4.根据权利要求3所述的一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，所述内层、外层透明介质层以及透明绝缘层的制备方法包括原子层沉积、化学气相沉积、溶液法、热蒸镀、电子束蒸发。
5.根据权利要求3所述的一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，所述金属反射层的制备方法包括化学气相沉积、电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射。
6.根据权利要求1所述的一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，所述光聚集层由衍射层、透明介质和增透层组成；底层为衍射层，结构包括二维光子晶体；中间层为透明介质，用于传导光线并分隔衍射层和增透层；上层为增透层，结构包括一维光子晶体，其排列周期方向为光出射面的法线方向。
7.根据权利要求6所述的一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，所述透明介质底部可依次制作额外的衍射层和透明介质，可循环叠加多层；所述透明介质材料包括Al2O3、TiO2、SiO2、聚氯乙烯。
8.根据权利要求6所述的一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，所述一维光子晶体、二维光子晶体的光子晶体排列方式包括矩形、六边形，光子晶体微元形状包括孔型、柱型、环型、锥形。
9.根据权利要求1所述的一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，所述Micro-LED台面形状包括倒梯形、矩形、三角形、圆形。
10.根据权利要求1所述的一种小出光角的Micro-LED结构，其特征在于，所述Micro-LED台面刻蚀方法包括电感耦合等离子体、反应离子刻蚀。
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| CN202310296474.4A CN116344719A (zh) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 一种小出光角的Micro-LED结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116344719A true CN116344719A (zh) | 2023-06-27 |
Family
ID=86880187
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310296474.4A Pending CN116344719A (zh) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 一种小出光角的Micro-LED结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116344719A (zh) |
-
2023
- 2023-03-24 CN CN202310296474.4A patent/CN116344719A/zh active Pending
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