全角度 Micro-LED 的高反射薄膜优化

介绍

显示器已成为人类生活中不可或缺的一部分，包括智能手机、电脑显示器、电视 (TV) 和商业广告屏幕，这些都是最常用的显示技术的一些例子。目前主流的显示技术包括液晶显示器（LCD）、有机发光二极管（OLED）和微型发光二极管（micro-LED）[1,2,3]。 LCD具有寿命长、价格低、技术成熟等优点[4,5,6]；然而，大尺寸直下式背光液晶显示器的整体光输出效率仍然较低，且结构复杂，难以降低整体厚度[7,8,9]。

OLED应用于显示器时具有自发光、体积小、柔性高、对比度高、色域广等优点[10,11,12]；然而，为了解决发光时红、绿、蓝子像素混合导致色纯度差的问题，需要使用复杂精细的金属掩膜，这也限制了OLED显示器的分辨率和亮度由于内部有机材料的特性而降低了它们的整体寿命[13,14,15]。

Micro-LED除了具有LCD和OLED的优点外，还具有亮度高、寿命长、效率高等优点[16,17,18]。 Micro-LEDs显示器是自发光的，使用极小的Micro-LEDs芯片作为点光源，具有发光效率高、寿命长、色纯度高、对比度高、化学稳定性高等优点[19,20,21];然而，此类显示器仍存在挑战，例如Micro-LED尺寸缩小和设备基板精度较高，从而导致大量Micro-LED的转移技术出现问题[22,23,24]。

除了制造工艺上的困难，当使用micro-LED作为光源时，显示的光场图案具有朗伯特性，这会导致应用于商业广告显示器时视角受限等问题[25]。因此，增加micro-LED的发光角度不仅可以增加显示器的视角，而且在用作LCD背光时还可以减少其数量和厚度。到目前为止，还缺乏优化 micro-LED 发光角度的研究，因此改进这一研究领域预计是有益的 [26,27,28]。近年来，学者们提出了优化发光角度的光学设计。 Spägele 等人。提出的超晶胞超表面（SCMS）利用超晶胞中相邻原子之间的耦合来实现广角效果；埃斯塔赫里等人。提出了一种由 TiOx 纳米线组成的高效背反射可见光梯度超表面的设计，以实现广角；邓等人。提出了具有矩形凹槽的薄金属纳米光栅来构建超表面以增加光出射角 [29,30,31]。邱等人。提出了具有无序双尺寸孔径的 Au 纳米网结构作为一种新型透明导电膜，以实现宽视角；刘等人。提出使用石墨烯作为透明导电膜，因为它具有光学各向异性和大角度入射区域透光率高的优点；此外，对于红外 LED，Lee 等人。通过在 NIR-LED 的顶层和ITO实现广角效果[32,33,34]。

还报道了与使用二次光学元件调制光分布有关的研究。运行等。设计了一种新的自由曲面透镜，其内表面为圆柱体，外表面为自由曲面，以优化发光角度；林等人。提出了笛卡尔坎德拉分布的自由曲面透镜阵列来优化 LED 透镜阵列布局以实现广角 [35, 36]。此外，芯片级封装-发光二极管（CSP LED）光形调制的研究包括改变传统封装结构和平面光源的配光优化[37, 38]。

一些研究人员还考虑了各种 LED 基板设计来改变光场模式。赖等人。采用硫酸湿法蚀刻工艺在c面蓝宝石衬底上形成三棱锥图案，以实现更高的光提取效率并增加光角；兰等人。提出了一种图案化的蓝宝石衬底 (PSS)，结合封装的倒梯形倒装芯片微型 LED，具有强峰值和大光角；张等人。研究了具有纳米图案蓝宝石衬底 (NPSS) 结构的倒装芯片深紫外 LED，表明 NPSS 结构可以实现广角并提高光提取效率 [39,40,41]。光学组件也被添加到光学模块中以调制光分布。王等人。提出了一种紧凑型高指向性背光模组，结合条纹漫反射板，通过紧凑的导光板漫射光线，实现宽视角；李等人。设计了一种多扭曲延迟器的四分之一波片，以实现消色差效果和宽视角[42, 43]。

为了实现宽视角，LCD必须设计并匹配广角背光和液晶材料。在这个过程中，存在横向漏光和色偏的问题。采用三组定向背光和快速切换液晶面板，展示了具有120度宽视角的时分复用光场显示[44]。

因此，之前关于提高发光角度的研究缺乏对在micro-LEDs芯片上设计光学薄膜以增加发光角度的相关研究。由于近年来micro-LED的尺寸已经大大缩小，因此无法像传统LED那样使用二次光学透镜来调整光场类型。之前的研究也提出了用金属薄膜调整光场类型；金属在不同角度具有出色的反射率，但材料具有高光吸收系数，从而降低了光输出效率。介电材料在不同角度的反射率并不比金属好，但材料本身的光吸收系数较低。本文提出了一种用于电介质和金属薄膜的初级光学设计，以获得沉积在 micro-LED 表面的低吸收和高反射率薄膜，并在考虑光输出效率和全角光的同时实现全角光分布。微型 LED 的发射。全角度Micro-LED在应用于需要宽视角的商业广告显示器或平面光源模块时具有优势。

材料和方法

Micro-LED 芯片尺寸和光场类型

本研究中使用的微型 LED 的尺寸基于长度 L c、宽度W c、高度H c 分别为 150 µm、85 µm 和 85 µm。裸片配光曲线如图1所示，法线方向中心点强度I C为92%，峰角I 峰值为15°，中心点强度的计算方法用式（1）表示。 (1).从配光曲线可以看出，micro-LED具有相似的朗伯光类型，半高宽（FWHM）为135°；因此，在没有二次光学透镜的情况下，增加发光角度以获得全角发光是本工作的主要研究重点。

Micro-LEDs芯片配光曲线

在上述参数中，低中心光强度和增加的峰值发光角有助于提高均匀性和视角[45]。本研究展示了 micro-LED 芯片表面高反射薄膜 (HRTF) 层的设计，其中包括由 TiO2/SiO2 堆叠介电材料制成的介电膜和由 Al 制成的金属膜。 Micro-LED 的结构和通过它的光路如图 2 所示。光通过多量子阱 (MQW) 层出射，并被 HRTF 部分反射。此后，光线从Al2O3层的侧壁出射，并增大micro-LED的出光角，实现全角度出光。

HRTF镀膜全角度Micro-LED内光路

HRTF 材料

光学膜中所用材料的选择对于实现所需的特性至关重要。首先，材料在要求的波段内必须具有较低的消光系数，以避免因吸收大而降低光提取效率；然后，必须考虑材料的附着力、物理和化学稳定性以及透光率。介电材料 TiO2/SiO2 在可见光波段具有优异的这些特性。 Al具有较高的消光系数，但其反射率不易随入射角增大而降低；但是，它可以承受高光强度。基于以上特性，高折射率材料（H ) TiO2 和低折射率材料 (L ) SiO2 用于介电膜，Al 用于金属膜，Al2O3 作为光学薄膜设计的基板。本研究中使用的材料在 460 nm 主波长处的折射率如表 1 所示。

HRTF 设计优化

Micro-LED 的发光面使用的基板是 Al2O3。我们在基板上设计了 HRTF，并使用电介质和金属薄膜来提高反射率，同时保持高发光效率。这里的目标是在 460 nm 的主波长处实现反射率> 90%。 HRTF 设计背后的原理是利用光的相消和相长干涉特性来提高反射率。当光学厚度为波长的 1/4 时，薄膜介质中的光干涉最大，此时界面反射率 R 由式（1）计算。 (2) [46]。

在这里，P 是 TiO2–SiO2 周期数，\({ }n_{{\text{s}}}\) 是衬底的折射率，\(n_{1}\) 是 TiO2 的折射率，\( n_{2}\) 是SiO2 的折射率，\(n_{{{\text{air}}}}\) 是空气介质的折射率。透射光学厚度为波长的1/4；因此，Al、TiO2 和 SiO2 的物理厚度分别为 20 nm、47.78 nm 和 78.50 nm。本研究采用Macleod光学模拟软件模拟纯Al、Al/(HL)、Al/(HL) ² 四种薄膜结构 , 和 Al/(HL) ³ .

图 3 显示了纯 Al、Al/(HL)、(HL) ² 的波长与反射率之间的关系 , Al/(HL) ² , 和 Al/(HL) ³ 在 400-500 nm 的模拟波长范围内的五种膜堆叠结构。纯Al的反射率，Al/(HL)，(HL) ² , Al/(HL) ² , 和 Al/(HL) ³ 在 460 nm 处分别为 85.53%、86.15%、71.84%、90.23% 和 93.04%。

纯铝的反射率，Al/(HL)，(HL) ² , Al/(HL) ² , 和 Al/(HL) ³ 模拟波长为 400-500 nm

表2为纯Al、Al/(HL)、(HL) ² 五种膜堆结构的反射率、透射率和吸收率比值 , Al/(HL) ² , 和 Al/(HL) ³ .纯铝在 460 nm 处的透过率为 5%，吸收率为 9.47%，是五种膜堆中吸收率最高的。 (HL) ² 的透光率 460 nm 处的膜堆为 28.06%，吸收率为 0.1%；这种吸收率直接影响整体光提取效率；此外，这种膜堆结构的吸收率最小，反射率仅为71.84%。 Al/(HL) ² 膜堆在 460 nm 处的透射率为 4.38%，吸收率为 5.39%；这种膜堆叠结构兼顾了整体的光提取效率和全角度的光分布。综合考虑辐射通量和整体光提取效率，Al/(HL) ² 本研究采用膜堆结构制备HRTF涂层。

图 4 显示了模拟的 Al/(HL) ² 和 (HL) ² 以及它们对应的 400-500 nm 反射率和透射率图。 Al/(HL) ² 的平均反射率和透射率 分别为89.6%和4.54%，(HL) ² 的平均反射率和透射率 分别为 70.3% 和 29.56%。从模拟结果可以看出，加入薄铝层后反射率提高了1.27倍。

Al/(HL) ² 模拟薄膜结构的反射率和透射率比 和 (HL) ² 适用于 400-500 nm 范围内的波长

图 5 说明了 (a) Al/(HL) ² 的透射率和反射率的变化 在不同的入射角；从0°到60°，平均反射率为87.7%，平均透射率为6.97%。图 5b。 (HL) ² 的透射率和反射率 在不同的入射角；从0°到60°，平均反射率为68.99%，平均透射率为30.88%。在全角度反射膜设计中，Al/(HL) ² 从模拟结果可以看出，加入薄铝层后，全角平均反射率提高了1.27倍。

模拟a的反射率和透射率变化 铝/(HL) ² 对于 0–90° 和 b 的入射角 (HL) ² 入射角0-90°

图 6 显示了 Al/(HL) ² 的模拟波长/入射角/反射率 3D 图 入射角为 0-25°，平均反射率在 440-480 nm 波长范围内超过 90%。

Al/(HL) ² 的模拟波长、入射角和反射率的3D关系图

结果与讨论

图 7 显示了微型 LED 芯片 HRTF 涂层的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。芯片长度 Lc 为 240 µm，宽度 Wc 为 140 µm，高度 Hc 为 100 µm。图 8a 显示了顶视图，图 8b 显示了底视图。

Micro-LEDs 芯片的 SEM 图像：a 顶部和b 底部视图

HRTF横截面SEM图像

图 8 显示了带有 HRTF 涂层的微型 LED 芯片的横截面 SEM 图像。 HRTF 原型薄膜堆栈包括 20.6 nm 的 Al 薄膜厚度、46.3 nm 和 46.2 nm 的 TiO2 介电薄膜厚度以及 77.5 nm 和 77.1 nm 的 SiO2 介电薄膜厚度。

图 9 显示了测得的亮度-电流-电压 (L-I-V) 曲线。在 30 mA 输入电流下，结果表明，在没有 HRTF 涂层的情况下，输出辐射通量、电压和外量子效率 (EQE) 分别为 33.833 mW、3.293 V 和 41.84%。 HRTF 涂层的电压、输出功率和 EQE 分别为 3.301 V、32.757 mW 和 40.51%。结果表明 HRTF 涂层几乎不影响微型 LED 的电流与电压 (IV) 曲线特性。 HRTF涂层的EQE衰减3.178%。

无和有HRTF涂层的micro-LED的光电特性

随着输入电流增加到 50 mA，该电压和输出功率分别增加到 3.5 V 和 48.165 mW，辐射通量仅比没有 HRTF 涂层的微型 LED 低约 3.3%。这表明带有 HRTF 涂层的微型 LED 具有低电压变化率和低光损耗特性。

图 10 显示了具有 HRTF 堆栈涂层的微型 LED 的电流主波长的漂移特性。橙色线代表裸露的微型 LED，蓝色线是带有 HRTF 涂层的微型 LED。当电流从 2 mA 增加到 30 mA 时，峰值波长从 465.47 nm 变为 460.01 nm，表明 micro-LED 涂覆有 Al/(HL) ² 对于电流的主波长，膜仅显示 5.46 nm 的变化；因此，这些结果表明原始裸 micro-LED 的光电特性得以保持。

含和不含Al/(HL) ² 的micro-LED主波长特性曲线的变化 薄膜叠涂

图 11 显示了温度与峰值波长特性曲线。橙色线代表裸露的 Micro-LED，蓝色线是带有 HRTF 涂层的 Micro-LED。随着温度从 25°C 升高到 105°C，峰值波长从 460.09 红移到 462.45 nm；这两条曲线表明HRTF镀膜后仍保持原有的光电特性。主要波长偏移仅为 2.36 nm。

含和不含Al/(HL) ² 的micro-LED峰值波长特性曲线 基于温度变化的薄膜堆叠涂层

HRTF的长期稳定性测试如图12所示，测试环境温度为25℃，驱动电流为30mA。 1000 h时，辐射通量可保持在98.5%。

HRTF的长期稳定性测试

图 13 显示了裸露和 HRTF 涂层微型 LED 的光分布曲线。黑线代表裸 micro-LED 的光场图案，其 FWHM 为 135°，中心光强度为 92%，峰值角为 15°。红线表示带有HRTF涂层的micro-LED的光分布，其FWHM增加到165°，中心光强降低到63%，峰值角增加到37.5°。

裸露和 HRTF 涂层 micro-LED 的配光曲线

图 14 显示了 (a) 裸露和 HRTF 涂层微型 LED 的发光分布图。图 14b 显示带有 HRTF 涂层的 micro-LED 的发光分布角度更宽，分布更均匀。

a的发光分布示意图 裸和b HRTF涂层微型LED

HRTF作为大广角显示屏不同区域之间的色差如图15所示。

HRTF对应不同波长的反射率关系

本文基于 440-460 nm 的波长范围来优化 HRTF 的设计。如果以后应用于全彩，铝膜的厚度增加到50nm以上，在全局波长（400-780nm）颜色均匀性会更好。

结论

我们建议在 micro-LED 表面设计 HRTF 涂层，以增加其光分布角度以实现全视角。我们使用初级光学设计来调制微型 LED 的光形状，而无需次级光学元件。使用Al/(HL) ² 优化HRTF薄膜堆叠结构 以获得高反射和低吸收。对原型制造的微型 LED 的测量表明，在具有 HRTF 涂层的 30 mA 输入电流下，L-I-V 曲线对微型 LED 的 I-V 特性几乎没有影响，辐射通量仅为 3.3 % 比裸微型 LED 低。在发光角度方面，带有HRTF涂层的micro-LED的中心光强从92%降低到63%，峰值角从15°增加到37.5°，半高宽从135°提高到165° .

评估实验结果表明，带有HRTF涂层的micro-LED具有低电压变化率、低光损耗和165°的大全角光分布。制作全角度Micro-LED时考虑了整体光效，同时仍保持裸Micro-LED的光电特性；这些微型 LED 在应用于需要宽视角的显示器或平面光源模块时具有优势。

数据和材料的可用性

本文提供了支持本文结论的数据集。

缩写

微型 LED：

微型发光二极管

FWHM：

半高全宽

电视：

电视

LCD：

液晶显示器

OLED：

有机发光二极管

SCMS：

超晶胞超表面

TITO：

钛-铟-锡氧化物

NIR-LED：

近红外发光二极管

CSP-LED：

芯片级封装-发光二极管

PSS：

图案化蓝宝石基板

NPSS：

纳米图案蓝宝石衬底

L :

Micro-LED 长度

W :

Micro-LED 宽度

H :

Micro-LED 高度

I 高峰：

峰角强度

I :

中心光强

HRTF：

高反射薄膜

MQW：

多量子阱

H ：

高折射率材料

L ：

低折射率材料

k ：

消光系数

SEM：

扫描电子显微镜

L–I–V：

亮度-电流-电压

IV：

电流对电压