高反射薄膜涂层优化微LED全角度发光

摘要

微LED显示器承诺前所未有的对比度、亮度和色彩保真度，但其固有朗伯发射限制视角。本研究引入一种初级光学设计，在微LED芯片发光表面沉积高反射薄膜涂层（HRTF）。实验原型展示半高全宽（FWHM）165°，较基线135°增加30°，中心强度降至原值63%——辐射通量仅下降3.3%，对发光-电流-电压（L-I-V）特性影响可忽略。HRTF以低光学损耗实现全角度发光，适用于大视角商业显示和平面光源模块。

引言

显示器支撑现代设备——从智能手机到大型广告面板——行业三大主流技术为LCD、OLED和微LED。LCD寿命长、成本效益高，但背光效率受限、形态厚重。OLED提供自发光高对比面板，却因复杂金属掩膜降低分辨率、有机材料降解缩短寿命。微LED融合两者优势：高亮度、长寿命、高色纯。然而，微小发射体仍辐射朗伯光，限制视角并增加大尺寸显示背光设计复杂性。

无笨重二级光学元件扩展微LED发射角度吸引大量研究。超构表面、纳米线阵列、先进涂层策略被探索用于重导向光，但多依赖复杂纳米制造或高吸收。薄膜反射镜提供可扩展替代：精心选择高折射率介质堆叠和金属层，可设计建设性干涉，在宽角度范围提升反射率同时保持提取效率。

本工作提出初级光学方法，在微LED表面沉积TiO₂/SiO₂介质堆叠覆薄铝层。所得HRTF在主导460 nm波长处实现>90%反射率，显著扩展发射锥，保持器件电学和光学性能。全角度微LED配合此类涂层可革新商业广告显示和平面照明方案。

材料与方法

微LED芯片几何与基线光场

研究微LED长度（Lc）150 µm，宽度（Wc）85 µm，高度（Hc）85 µm。图1显示裸芯片角度强度分布：中心强度（Ic）为峰值92%，峰值角15°，FWHM 135°。这些值确认发射体朗伯特性，动机在于拓宽发射锥。

高反射薄膜（HRTF）设计

HRTF由交替TiO₂（高折射率）和SiO₂（低折射率）介质层对组成，顶部覆薄铝膜。介质对（HL）按λ/4光学厚度工作以最大化建设性干涉。铝层引入额外反射率同时保持低吸收。460 nm波长折射率汇总见表1。

仿真与优化

用Macleod光学仿真软件评估四候选堆叠：纯Al、Al/(HL)、(HL)²、Al/(HL)²、Al/(HL)³。460 nm处反射率分别为85.5%、86.2%、71.8%、90.2%、93.0%。Al/(HL)³反射率最高，但金属层增厚增加吸收和制造复杂度。Al/(HL)²在90.2%反射率、4.5%透射率、5.4%吸收率间取得平衡，满足>90%反射率目标同时损耗最小。