CN213958959U - 一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的是针对当前Micro‑LED显示中存在的不足，提出一种减小光学串扰的新型Micro‑LED显示阵列。该方案将当前主流的Micro‑LED显示阵列中的各个Micro‑LED的间隔处做成粗糙表面，使得在GaN层和蓝宝石(sapphire)衬底之间的通道内部传播的光通过粗糙表面透出，从而抑制其在通道内传播并进一步影响相邻的Micro‑LED，提高每个像素点色彩的纯洁性，进而提高显示阵列的对比度和可靠性，减少芯片成本。

Description

一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列

技术领域

本实用新型涉及半导体光电领域，具体地说是一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列。

背景技术

目前，对于智能手机，平板电脑，电视显示而言，液晶显示(LCD)和有机发光二极管(OLED)显示是两个主流显示技术。这两种技术都有其优点和缺点。LCD的主要优点是使用寿命长，高亮度和低成本，而OLED的独特优势是容易实现超薄，从而实现灵活的显示。但是，LCD有两个要克服的缺点：对比度和灵活性有限。另一方面，OLED的主要挑战在于其使用的寿命以及高成本。而基于Mini-LED和Micro-LED的显示技术逐渐吸引了广泛关注，Micro-LED作为新一代显示技术，比现有的OLED和LCD技术亮度更高、发光效率更好、功耗更低。2017年5月，苹果已经开始新一代显示技术的开发。2018年2月，三星在CES 2018上推出了Micro LED电视。

如今，III-氮化物半导体已被发现很好的应用在照明技术和电力电子领域。由于氮化物LED空前的高发光效率，并结合其寿命长和可靠性，使它们成为许多住宅，商业以及工业室内和室外的照明系统的首选。基于氮化物的LED能很好的覆盖紫外到绿光这块光谱范围。而作为新一代显示技术的Micro-LED技术主要通过两种方法实现全彩化显示，一种是基于三原色原理制造出红绿蓝三色Micro-LED器件来组合，另外一种是基于颜色转换材料来实现全彩化显示，而通过这种的颜色转换材料的方案，他需要蓝光或者深紫外LED来激活颜色转换材料量子点或荧光粉来说实现全才显示。而基于III-氮化物半导体的蓝光或者深紫外LED再次成为了研究热点。

但是对于基于颜色转换材料的Micro-LED全彩显示技术仍然存在一个亟待解决的问题：光学串扰(cross-talk)。当整个阵列通过外加特定电路寻址单个像素时，相邻像素点和区域也会收到一定的干扰。这些问题可能导致显示阵列功能出现故障，在实现显示应用中，也会降低图像保真度以及颜色对比度，同时也会造成数据传输的缺陷并减弱光通信中的信噪比。常见的减少串扰(cross-talk)的方法有，将半球形微透镜阵列也集成到了Micro-LED阵列中，每个微透镜都耦合到单个Micro-LED像素,微透镜可以有效地准直Micro-LED发出的发散光，从而减少不同像素点之间的光学串扰。其次通过简单的光刻方法制造用于QD喷射的窗口和用于减少串扰的阻挡壁，单一像素的发散光会被阻挡壁吸收，而被局限在窗口中。而在这里，我们在不同Micro-LED像素点的间隔采取粗糙化形成特定形状的表面，使得像素点的发散光通过粗糙表面投射出去，从而减少各个独立像素相互之间的影响，大大减小了不同像素之间的光学串扰，实现了显示颜色的更精确控制以及更高的颜色对比度，降低了显示芯片制造的成本。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对当前Micro-LED显示中存在的不足，提出一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列。该方案将当前主流的Micro-LED显示阵列中的各个Micro-LED的间隔处做成粗糙表面，使得在GaN层和蓝宝石(sapphire)衬底之间的通道内部传播的光通过粗糙表面透出，从而减少其在通道内传播并进一步影响相邻的Micro-LED，提高每个像素点色彩的纯洁性，进而提高显示阵列的对比度和可靠性，减少芯片成本。

本实用新型解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，包括蓝宝石衬底1，本征GaN缓冲2，n-GaN层3，InGaN/GaN多量子阱层4，p型电子阻挡层5，p-GaN层6，电流扩展层7，Micro-LED p型欧姆电极8，Micro-LED n型欧姆电极9，其中最底层为蓝宝石衬底1，接着是本征GaN缓冲层2，本征GaN缓冲层2上依次覆盖有n-GaN层3、InGaN/GaN多量子阱层4、p型电子阻挡层5、p-GaN层6、电流扩展层7及Micro-LED p型欧姆电极8，Micro-LED n型欧姆电极9位于n-GaN层3一角；Micro-LED p型欧姆电极8一侧的器件侧壁为倾斜侧壁结构；各Micro-LED器件之间的间隔为20～100μm，其间隔曝露的nGaN表面是图形化表面结构。

进一步的，所述蓝宝石衬底1是蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃的其中一种，衬底1沿着外延生长方向的不同分成极性面[0001]衬底、半极性面[11-22]衬底或非极性面[1-100]衬底；

进一步的，所述Micro-LED器件的倾斜侧壁的倾斜角度为10°～85°。

进一步的，所述粗图形化表面的高度为20nm-2000nm。

进一步的，电流扩展层7的材料是ITO、Ni/Au、氧化锌、石墨烯、铝或金属纳米线的其中一种。

进一步的，Micro-LED p型欧姆电极8的材质是Ni/Au、Cr/Au、Pt/Au或Ni/Al的其一种。

进一步的，Micro-LED n型欧姆电极9材质是Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au的其中一种。

相对于现有技术，本实用新型创造具有以下优势：

本实用新型的器件是将当前主流的Micro-LED阵列中单个像素之间的表面进行图形粗糙化，通过粗造化在n-GaN层形成半球形或者锥状表面，使得在蓝宝石衬底和n-GaN之间的通道里的光能够借助于粗糙化图形表面透出，透出的原理是改变光在界面处的入射角，使原本在界面处可以实现全反射的光不再满足全反射的条件，进而透射出去。这就相应的减少相邻Micro-LED发光像素之间的影响，即减少光学串扰(crosstalk).

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型中减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，通过在单个器件的间隙之间的n-GaN层表面制作半球形或者锥状粗糙表面，使得在蓝宝石衬底和n-GaN之间的通道里的光能够在到达相邻器件之前通过粗糙表面透出，这大大减小了单个Micro-LED像素点之间的光学串扰，相比无粗糙表面器件串扰比降低了50％-80％，进而准确控制单个像素点的颜色显示，提高图像保真度以及颜色对比度。

2、此外，传统器件为了避免串扰的影响，会尽量控制器件之间的间距不宜过大，但是本实用新型中通过采用粗糙表面降低了光学串扰，意味着可以缩短相邻Micro-LED像素点的间距，进一步降低Micro-LED显示pitch，提高PPI(像素密度)和显示分辨率。

3、本实用新型减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列中，采用的倾斜侧壁结构，提高器件光提取效率，相比常见的蒸镀金属反射镜用于提高光提取的器件更容易操作，可重复性强，生产成本及所耗时间少20％-40％左右。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作近一步的说明。

图1为本实用新型中初始的基片结构示意图。

图2为本实用新型中蒸镀电流扩展层的示意图。

图3为本实用新型中通过光刻和刻蚀暴露n-GaN台面示意图。

图4为本实用新型中通过纳米球光刻技术、全息光刻以及刻蚀形成粗糙表面示意图。

图5为本实用新型中蒸镀p型及n型欧姆电极示意图。

图6为本实用新型的三维结构示意图。

图7为本实用新型中器件排布图。

图8为通过FDTD仿真软件得出器件不同倾斜角度下有无粗糙表面的crosstalk对比。

其中，1-衬底；2-本征GaN缓冲层；3-n-GaN层；4-InGaN/GaN多量子阱层；5-P型电子阻挡层；6-p-GaN层；7-电流扩展层；8-Micro-LED p型欧姆电极；9-Micro-LED n型欧姆电极

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步说明，但不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

图5为该阵列器件结构示意图，完整Micro-LED器件沿着外延生长方向依次包括：衬底1、本征GaN缓冲层2、n-GaN层3、InGaN/GaN多量子阱层4、P型电子阻挡层5、p-GaN层6、电流扩展层7、P-型欧姆电极8、N-型欧姆电极9。

图2所示表明，在图1的初始基片上蒸镀电流扩展层。

图3所示表明，在图2的基片上通过光刻和刻蚀，按照器件的阵列分布，暴露至n-GaN层，实现器件相互隔离，并且使侧壁形成一定倾角的侧壁；

图4所示表明，在图3的基片上通过纳米球光刻技术、全息光刻或者纳米压印光刻技术以及刻蚀技术在暴露的n-GaN层区域形得到锥形或者半球形GaN层表面；

图5所示表明，在图4中分别光刻并且蒸镀出单个Micro-LED器件的p-型欧姆电极和整个芯片单元的n-型欧姆电极；

本实用新型的实现基于Micro-LED阵列的基本设计思路，在传统的Micro-LED阵列中Micro-LED像素之间的间隔表面进行图形粗糙化，通过粗糙化在暴露的n-GaN层上侧形成半球形或者锥状表面，减少Micro-LED显示的光学串扰，从而提高色彩的纯度以及对比度。

其理论机理为：提出一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，在Micro-LED像素点之间的间隙处制作出半球形或者锥状表面，当n-GaN层和蓝宝石衬底之间的通道里的光到达n-GaN上表面时，与半球形的或者锥形表面形成的入射角很小远远小于两种介质之间的全反射临界角，那么通道里的光就会在间隙的n-GaN层粗糙表面处透出，而不是继续在通道内反射传播影响相邻器件。

若采用传统的间距之间没有粗糙化的显示阵列，因为没有特定形状的表面，通道内部一部分光在n-GaN层的界面处的入射角大于临界角，所以无法透出从而会继续传播影响相邻器件。

一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，所述的Micro-LED器件，最底层为蓝宝石衬底，接着是本征GaN缓冲层，本征GaN缓冲层上覆盖有n-GaN层，n-GaN层上层的上部，从下到上依次为InGaN/GaN多量子阱层、p型电子阻挡层、p-GaN层和电流扩展层，电流扩展层上表面的外侧覆盖有p-型欧姆电极，p-型欧姆电极的面积为电流扩展层面积的5～10％；整个阵列的n-GaN层的一角表面设置n-型欧姆电极，n-型欧姆电极的的面积大概为0.01～0.04mm²；

阵列排布中，各Micro-LED器件之间的间隔为40～80μm；

衬底为蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃；衬底沿着外延生长方向的不同可以分成极性面[0001]衬底、半极性面[11-22]衬底或非极性面[1-100]衬底。

电流扩展层的材料可以是ITO、Ni/Au、氧化锌、石墨烯、铝或金属纳米线，厚度为10～100nm。

Micro-LED器件的侧壁略微向内倾斜，倾角为10°～85°。

粗糙表面的形状可以是半圆，椭圆，锥形，截面的半径为200nm～2μm，高度为200nm～2μm。

Micro-LED器件p-型欧姆电极的材质为Ni/Au、Cr/Au、Pt/Au或Ni/Al，n-型欧姆电极的材质为Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au。

实施例1

一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列是由若干个Micro-LED排布而成。

Micro-LED器件沿着外延生长方向依次包括：衬底1、本征GaN缓冲层2，厚度为1.5μm；n-GaN层3，厚度为3μm；InGaN/GaN多量子阱层4，厚度为50nm；p型电子阻挡层5，厚度为20nm；p-GaN层6，厚度为500nm；电流扩展层7，厚度为20nm；p-型欧姆电极8和n-型欧姆电极9，其中p-型欧姆电极8位于电流扩展层7的中央，宽度为0.5μm，厚度为200nm；n-型欧姆电极9位于n-GaN下层暴露部分的一角，边长为0.5μm，厚度为200nm。

实施例2

一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列是由若干个Micro-LED排布而成。

Micro-LED器件沿着外延生长方向依次包括：衬底1、本征GaN缓冲层2，厚度为1.5μm；n-GaN层3，厚度为3μm；InGaN/GaN多量子阱层4，厚度为50nm；p型电子阻挡层5，厚度为20nm；p-GaN层6，厚度为500nm；电流扩展层7，厚度为20nm；p-型欧姆电极8和n-型欧姆电极9，其中p-型欧姆电极9位于电流扩展层7的中央，宽度为0.5μm，厚度为200nm；n-型欧姆电极10位于n-GaN下层暴露部分的一角，边长为0.5μm，厚度为200nm。

上述实施例仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干侧壁场板和等同替换，这些对本实用新型权利要求进行侧壁场板和等同替换后的技术方案后的技术方案，均落于本实用新型的保护范围。

本实用新型未尽事宜为公知技术。

Claims (7)

1.一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，其特征在于：包括蓝宝石衬底(1)，本征GaN缓冲层(2)，n-GaN层(3)，InGaN/GaN多量子阱层(4)，p型电子阻挡层(5)，p-GaN层(6)，电流扩展层(7)，Micro-LED p型欧姆电极(8)，Micro-LED n型欧姆电极(9)，其中最底层为蓝宝石衬底(1)，接着是本征GaN缓冲层(2)，本征GaN缓冲层(2)上依次覆盖有n-GaN层(3)、InGaN/GaN多量子阱层(4)、p型电子阻挡层(5)、p-GaN层(6)、电流扩展层(7)及Micro-LED p型欧姆电极(8)，Micro-LED n型欧姆电极(9)位于n-GaN层(3)一角；Micro-LED p型欧姆电极(8)一侧的器件侧壁为倾斜侧壁结构；各Micro-LED器件之间的间隔为20～100μm，其间隔曝露的n-GaN层(3)表面是图形化表面结构。

2.根据权利要求1所述的一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，其特征在于：蓝宝石衬底(1)是蓝宝石、SiC、Si、AlN、GaN或石英玻璃的其中一种，衬底(1)沿着外延生长方向的不同分成极性面[0001]衬底、半极性面[11-22]衬底或非极性面[1-100]衬底。

3.根据权利要求1所述的一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，其特征在于：Micro-LED器件的倾斜侧壁的倾斜角度为10°～85°。

4.根据权利要求1所述的一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，其特征在于：粗图形化表面的高度为20nm-2000nm。

5.根据权利要求1所述的一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，其特征在于：电流扩展层(7)的材料是ITO、Ni/Au、氧化锌、石墨烯、铝或金属纳米线的其中一种。

6.根据权利要求1所述的一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，其特征在于：Micro-LED p型欧姆电极(8)的材质是Ni/Au、Cr/Au、Pt/Au或Ni/Al的其中一种。

7.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的一种减小光学串扰的新型Micro-LED显示阵列，其特征在于：Micro-LED n型欧姆电极(9)材质是Al/Au、Cr/Au或Ti/Al/Ti/Au的其中一种。

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