具有用于白光源的量子点转换器的高均匀性平面微型芯片级封装 LED

背景

液晶显示（LCD）作为当今社会各个领域的主流显示技术，越来越受到青睐。随着生活水平的提高，人们对液晶显示质量的要求越来越高。特别是在色域和亮度方面，LCD 不断被有机发光二极管 (OLED) 和激光显示器等其他显示技术超越 [1,2,3]。为了提高LCD的性能，发光二极管（LED）因其体积小、能耗低、发热低等优点逐渐取代了传统的冷阴极荧光灯（CCFL）。 LED 已成为新一代 LCD 背光单元 (BLU) 光源 [4,5,6]。目前LED BLU采用蓝色LED激发黄色荧光粉，形成白色背光。但荧光粉效率低、光谱宽、光衰大、颗粒均匀性差等问题阻碍了LCD的亮度提升和CIE色度范围；因此，仍有改进的余地。众所周知，白色 LED 主要是通过在氮化镓 (GaN) 蓝色 LED（波长 450–470 nm）上涂覆 YAG 黄色荧光粉层来制造的 [7, 8]。但其发射光谱缺少红光，发出冷白光，不够自然，显色性差（CRI小于75），限制了其在高端照明和特殊领域的应用。为了获得高CRI LED，在黄色荧光粉中加入少量红色荧光粉和少量绿色荧光粉，以补偿和改变光谱[6, 9]。然而，这种涂覆荧光粉的LED方法在发光效率和化学稳定性方面仍存在不足，难以得到大规模推广应用。

作为一种新型的荧光半导体纳米晶体，纳米量子点（QDs）具有许多独特的光学性质，如光致发光量子产率高、发射光谱窄、发射光谱可调、色纯度高[10,11,12,13,14 ,15,16]。已经证明，在高效的光子管理中，QD 转换器可广泛应用于太阳能电池 [17, 18]、LED [19, 20] 和光电探测器 [21,22,23]。特别是，已经报道了具有可选波长、高响应度和开/关比的 QD 光电探测器 [24, 25]。最近，由于其优异的电催化和光催化性能，量子点也被应用于水分解[26]。量子点已成为显示领域的合适候选材料，具有替代传统荧光粉和增加 LCD 色域范围的巨大潜力 [27, 28]。基于QD的背光技术是目前显示器的主流应用对象，受到科学界和工业界的广泛关注。量子点通常由 II-VI 族或 III-V 族元素组成，晶粒直径仅为 2-10 nm [29, 30]。由于量子限制效应，QD 能隙会随着粒径的变化而变化。近年来，硒化镉（CdSe）及其核壳量子点在显示技术中的研究最为火爆，主要是因为其发光波长在可见光范围内。 QD-LED器件结构类似于聚合物发光二极管(PLED)，其发射层采用胶体半导体QDs溶液旋涂，具有制备工艺简单、成本低、制造的灵活性 [31,32,33].

目前主流的LED BLU光源排列方式大致可分为侧光式和直下式两种。一般来说，直射提供的对比度和亮度均匀性会比侧光更好。侧光式亮度均匀性使用导光板将光线分布在整个屏幕上。然而，对于大尺寸LCD-TV应用来说，导光板重量变得太大。此外，它需要具有良好的光学质量，导致成本较高。直接照明不使用光导； LED 阵列均匀地放置在 LCD 面板的正下方，在亮度均匀性和光学效率方面具有出色的性能 [34,35,36]。 BLU亮度和均匀度对显示模组的均匀度影响很大。因此，提高BLU亮度均匀性非常重要。然而，在实际应用中，BLU 光照均匀性难以保持。当模块变薄时，亮度不均匀性将显着不同。为了实现薄型 LED 和良好的均匀性，设计符合要求的 BLU 更具挑战性。本研究提出了一种提高 LED BLU 亮度均匀性的方法。通过不同的LED发射角度和不同的QD薄膜厚度讨论了BLU亮度均匀性。

方法

通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 在 c 面蓝宝石衬底上生长发射波长为 460 nm 的 GaN LED 外延片。 LED 结构由 2 μm 厚的未掺杂 GaN 层、2.0 μm 厚的 Si 掺杂 n 型 GaN 包覆层、6 个周期的 InGaN/GaN 多量子阱 (MQW)、25 nm 厚的Mg 掺杂的 p-AlGaN 电子阻挡层，以及 0.2 μm 厚的 Mg 掺杂 p-型 GaN 包覆层。用于欧姆接触层和反射器的 Ni/Ag/Ni/Pt 层通过电子束蒸发系统沉积在 LED 上。本研究中使用的三种不同发射角度的微型 FC-LED (mini-LED) 结构是通过薄膜转移技术和模制芯片规模封装 (CSP) 方法制造的，并进行了详细比较：120° mini-CSPLED、150°mini-CSPLED和180°mini-CSPLED，如图1所示。120°mini-CSPLED结构在芯片的四个侧面都有保护层，在发光面上有透明层。 150°微型CSPLED结构在芯片的侧面和发光面有一层透明层。 180°微型CSPLED结构在侧面有透明层，在芯片表面发光，在最顶层覆盖有漫反射层。其中透明层的材料来源为TiO2/硅树脂纳米复合材料，厚保护层和薄扩散反射层均为TiO2粉末。量子点薄膜是使用 CdSe/ZnS 核壳量子点作为材料来源制造的。将绿光发射（~ 525 nm）和红光发射（~ 617 nm）CdSe/ZnS核壳量子点与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）混合制备各种厚度的量子点薄膜，其中量子点薄膜的光学特性可以在附加文件 1：图 S1。这些 QD 薄膜被制造为 LED 芯片上的颜色转换器（λ =450 nm) 以获得白光器件。图 2 显示了 BLU 结构（18 mm × 18 mm），它由 3 × 3 方形 mini-LED 阵列、扩散板、QD 膜和两个棱镜膜组成。 mini-LED 阵列安装在电路板上，芯片尺寸为 20 mil ×20 mil，间距长度为 5.1 mm。考虑到芯片和扩散板之间的有效光学距离（OD），为了获得良好的空间均匀性，将其设置为 2.5 mm。图 3 显示了一个蓝色迷你 LED 阵列，用于激发不同厚度的 QD 薄膜（例如，60-μm-、90-μm-和 150-μm-厚的 QD 薄膜）以获得白色平面光源。通过测量位于面板上的五个点 L1-L5 的亮度，评估整个面板的亮度均匀性，如图 3 所示。本研究中的BLU亮度均匀性由下式表示：

三种mini-CSPLED发射角结构示意图。 一 120° 迷你 CSPLED，b 150° 迷你 CSPLED 和 c 180°迷你CSPLED

背光单元结构示意图

亮度均匀性测量示意图

光输出功率-电流-电压（L-I-V ) 这些微型 CSPLED 的特性是在室温下使用吉时利 2400 源表和带有校准功率计的积分球（CAS 140B，Instrument Systems，Munich）测量的。使用分布光度计（LEDGON-100，Instrument Systems，Munich）测量这些微型 CSPLED 的空间辐射模式。使用光谱亮度计（SRI-RL-5000，Optimum Optoelectronics Corp.，Taiwan）分析QD薄膜的BLU亮度和电致发光（EL）光谱。

结果与讨论

图 4 显示了测量的 L–I–V 三种mini-CSPLED的特点。在注入电流为 20 mA 时，120° mini-CSPLED、150° mini-CSPLED 和 180° mini-CSPLED 的正向电压都相同，并且约为 2.72 V。进一步将注入电流增加到 200 mA，这三种微型 CSPLED 的正向电压均增加到 3.09–3.14 V。很明显 I–V 这三种器件的曲线几乎相同，表明 CSP 工艺不会损害电气特性。另一方面，L–I 曲线显示 120° mini-CSPLED、150° mini-CSPLED 和 180° mini-CSPLED 的光输出功率仅略有差异，这表明通过 CSP 结构成功优化了器件。另一方面，三种 mini-CSPLED 的光输出功率最初随注入电流呈线性增加。 L–I 曲线显示 120° mini-CSPLED、150° mini-CSPLED 和 180° mini-CSPLED 的光输出功率仅略有差异，这表明通过 CSP 结构成功优化了器件。随着注入电流增加到 200 mA，三种 mini-CSPLED 的光输出功率约为 250.9、258.0 和 245.9 mW。 120°微型CSPLED的光输出功率表现出低于150°微型CSPLED的光输出功率，其可能被漫反射层吸收。与 120° mini-CSPLED 和 150° mini-CSPLED 相比，180° mini-CSPLED 在 200 mA 的高电流下使光输出功率降低 2.05% 和 4.93%。劣化可能是由于在透明层/CSPLED 顶部添加了漫反射层，光线可能会被轻微吸收，或者大部分光线会集中在透明层中，反射从侧壁发出。

L–I–V 120° mini-CSPLED、150° mini-CSPLED和180° mini-CSPLED的特性

图 5 显示了 120° mini-CSPLED、150° mini-CSPLED 和 180° mini-CSPLED 在 100 mA 注入电流下的辐射模式。 mini-CSPLED 的辐射模式可以通过改变封装结构来控制。 120° mini-CSPLED、150° mini-CSPLED 和180° mini-CSPLED 视角分别测量为110.6°、148.7° 和180°。显然，180° mini-CSPLED 辐射图的视角大于120° mini-CSPLED 和150° mini-CSPLED 的视角。可以发现，由于顶部的漫反射层，180°微型CSPLED的辐射图案的中心光输出强度降低了一半。较宽的视角是由于大量的光被漫反射层反射后从透明层逸出，即具有蝶翼状光分布的发射图案；因此，它可以用作平面光源。另一方面，120°的mini-CSPLED在四面都覆盖了漫反射层，使光线集中向上发射，形成朗伯形光分布。此外，由于五面共形覆盖有透明层，150°微型CSPLED的光分布与蝙蝠翼形光分布相似。

120° mini-CSPLED、150° mini-CSPLED和180° mini-CSPLED的辐射模式（10 mA）

表 1 显示了具有不同发射角度的 mini-CSPLED 蓝色 BLU 的光电特性。在 24 V（在 10 mA 时）相同的正向电压下，CIE 色度坐标 (x , y ) 的 120° mini-CSPLED BLU、150° mini-CSPLED BLU 和 180° mini-CSPLED BLU 都相似并且 (x , y ) =(x =0.1518 − 0.15.2, y =0.026 - 0.0281）。此外，120° mini-CSPLED 蓝色 BLU、150° mini-CSPLED 蓝色 BLU 和 180° mini-CSPLED 蓝色 BLU 的光输出功率分别测量为 147.43、153.02 和 146.71 mW。由于180°mini-CSPLED封装结构因素，光输出功率稍差，但照明面积增加。

图 6a-c 显示了具有不同 QD 薄膜厚度的 120° mini-CSPLED BLU、150° mini-CSPLED BLU 和 180° mini-CSPLED BLU 的 CIE 色度图。 CIE 色度坐标 (x , y ) 三种不同 QD 薄膜厚度的 mini-CSPLED BLU 的测量结果如下：(x , y ) =(x =0.1977 − 0.2525，y =0.1297 − 0.2284), (x , y ) =(x =0.1941 − 0.2478，y =0.1239 − 0.2295) 和 (x , y ) =(x =0.1947 − 0.2496，y =0.1328 − 0.2331)，分别。很明显，具有不同厚度的 QD 薄膜的相应 BLU 的发射色度坐标显示 CIE 色度坐标位于蓝色区域附近。随着 QD 薄膜厚度的增加，CIE 色度坐标向白色区域移动。此外，随着 QD 薄膜厚度从 60、90 和 150 μm 增加，BLU 亮度增加。这一结果归因于用厚 QD 膜显着增加激发概率以产生白光并增加亮度。另一方面，180° mini-CSPLED BLU的BLU亮度显着降低，这可能是由于更大的照明面积导致平均亮度降低。本研究的结果表明 CIE 色度坐标 (x , y ) 和具有不同 QD 膜厚的三种 mini-CSPLED 发射角结构的亮度，总结在表 2、3 和 4 中，其中数据测量可以在附加文件 1：图 S2-S10 中找到。 /P> <图片>

不同QD薄膜厚度的120° mini-CSPLED BLU、150° mini-CSPLED BLU和180° mini-CSPLED BLU的CIE色度图

图 7a-e 显示了 120° mini-CSPLED BLU、150° mini-CSPLED BLU 和 180° mini-CSPLED BLU 的光分布图像，带有和不带有漫射器和不同 QD 薄膜厚度。图 7a 显示了三种没有扩散器和 QD 膜的 mini-CSPLED 蓝色 BLU 的光分布图像。通过在三种 mini-CSPLED BLU 上放置扩散板，可以看出 180° mini-CSPLED BLU 比 120° mini-CSPLED BLU 和 150° mini-CSPLED BLU 具有更好的均匀平面光。然而，120° mini-CSPLED BLU 和 150° mini-CSPLED BLU 显示出条纹图案，其中 120° mini-CSPLED BLU 最为明显，如图 4b 所示。同样，如图所示。如图 7c-e 所示，QD 薄膜置于扩散板上，随着 QD 薄膜厚度的增加，三种 mini-CSPLED BLU 的配光图像清晰地呈现出 BLU 亮度增加且更接近白光;条纹图案也越来越不显眼。光分布图像观测与CIE色度坐标(x , y ) 和亮度结果。

120° mini-CSPLED BLU、150° mini-CSPLED BLU和180° mini-CSPLED BLU有无扩散板和不同QD膜厚的配光图

从以上结果可以看出，CIE色坐标(x , y ) 可以使用 150 微米厚的 QD 薄膜接近白色区域。因此，QD薄膜的厚度是固定的，并且讨论了三种mini-CSPLED BLU的亮度均匀性的影响。使用5点亮度均匀性测量方法，估计三种mini-CSPLED BLU+150μm厚QD薄膜的亮度均匀性分别为35%、39%和86%。显然，与120° mini-CSPLED BLU和150° mini-CSPLED BLU相比，180° mini-CSPLED BLU的BLU亮度均匀性提高了1.47倍和1.19倍。因此，发现使用 180° mini-CSPLED BLU +150-μm 厚的 QD 薄膜可以有效提高整体 BLU 亮度均匀性。三种mini-CSPLED BLU + 150 μm厚QD薄膜的亮度均匀性计算总结在表5中，其中数据测量可以在附加文件1：图S11-S22中找到。

图 8a-c 显示了三种微型 CSPLED BLU + 150 μm 厚 QD 薄膜的 CIE 色度图和 EL 光谱，带和不带 LCD。如图 8a 所示，可以看出 CIE 色度坐标 (x , y ) 的 120° 迷你 CSPLED BLU 与 LCD 从 (0.2525, 0.2284) 移至 (0.2873, 0.3099)。带 LCD 的 150° mini-CSPLED BLU 从 (0.2478, 0.2295) 到 (0.2830, 0.3072)。带 LCD 的 180° mini-CSPLED BLU 从 (0.2496, 0.2331) 到 (0.2794, 0.3063)。这表明添加 LCD 后，CIE 色度坐标更多地向白色区域移动。三种没有 LCD 的 mini-CSPLED BLUs + 150-μm 厚 QD 薄膜的 EL 光谱表现出很强的蓝光强度，CIE 色度坐标位于近蓝色区域，如图 8b 所示（参见附加文件 1：图 S4、S7 和 S10）。 LCD放置在三种mini-CSPLED BLU+150 μm厚QD薄膜上时，EL光谱显示红、绿、蓝光强度相似，CIE色度坐标位于白色区域.这个结果可以归因于 LCD 结构的滤色器，它改善了颜色坐标位置，如图 8c 所示（参见附加文件 1：图 S23-S25）。插图为180° mini-CSPLED BLU + 150μm厚QD薄膜带LCD的实际应用照片。

一 CIE色度图。 b , c 三种mini-CSPLED BLU+150 μm厚QD薄膜的EL光谱，带LCD和不带LCD

结论

总之，我们成功地使用 mini-CSPLED BLU 作为蓝光和激发能源，以及 QD 薄膜，以产生均匀的白色背光。 Mini-CSPLED 进行了120°、150°和180°的发射角封装结构制作，验证了mini-CSPLED的光学性能有显着差异。与120° mini-CSPLED和150° mini-CSPLED相比，180° mini-CSPLED的更大发射角和照明面积显着提高。令人印象深刻的是，180° mini-CSPLED BLU 与 150 微米厚的 QD 薄膜实现了约 86% 的出色均匀亮度平面白光源背光显示，这对于未来的超薄显示技术具有重要意义。我们实施了高可靠性的CSP技术，可以保护LED芯片，解决LED的发射角度和照射面积问题，制造出亮度均匀性好的显示器背光源。

缩写

BLU：

背光单元

CCFL：

冷阴极荧光灯

CdSe：

硒化镉

氮化镓：

氮化镓

LCD：

液晶显示器

mini-CSPLED：

微型芯片级封装发光二极管

OLED：

有机发光二极管

请求：

高分子发光二极管

量子点：

量子点

YAG：

钇铝石榴石