Оптимизация полноугловой световой эмиссии в микро-светодиодах с высокорефлективными тонкопленочными покрытиями

Аннотация

Микро-светодиодные дисплеи обещают беспрецедентный контраст, яркость и цветопередачу, однако их внутреннее Ламбертовское излучение ограничивает углы обзора. Это исследование вводит первичный оптический дизайн, который наносит высокорефлективное тонкопленочное покрытие (HRTF) на световую эмиссионную поверхность микро-светодиодных кристаллов. Экспериментальные прототипы демонстрируют полную ширину на полумаксимуме (FWHM) 165°, увеличение на 30° по сравнению с базовыми 135°, и снижение центральной интенсивности до 63% от исходного значения — все это при сохранении всего 3,3% падения светового потока и пренебрежимого влияния на люминесцентно-токовольтовые (L-I-V) характеристики. HRTF таким образом обеспечивает полноугловую эмиссию с низкими оптическими потерями, делая его подходящим для коммерческих дисплеев с широким углом обзора и планарных модулей источников света.

Введение

Дисплеи лежат в основе современных устройств — от смартфонов до больших рекламных панелей — и три доминирующие технологии индустрии — LCD, OLED и микро-светодиоды. LCD предлагают долговечность и стоимостную эффективность, но страдают от ограниченной эффективности подсветки и толстых форм-факторов. OLED доставляют самосветящиеся панели с высоким контрастом, однако их потребность в сложных металлических масках снижает разрешение и срок службы из-за деградации органических материалов. Микро-светодиоды комбинируют лучшее из обоих миров: высокую яркость, продленный срок службы и высокую цветовую чистоту. Однако их крошечные излучатели все еще излучают Ламбертовский свет, ограничивая углы обзора и усложняя дизайн подсветки для больших форматов дисплеев.

Расширение углов эмиссии микро-светодиодов без громоздких вторичных оптических элементов привлекло значительный исследовательский интерес. Метаповерхности, нанопроволочные массивы и передовые стратегии покрытий были исследованы для перенаправления света, но многие полагаются на сложную нанофабрикацию или страдают от высокого поглощения. Тонкопленочные рефлекторы предлагают масштабируемую альтернативу: тщательно выбирая высокопреломляющие диэлектрические стопки и металлические слои, можно спроектировать конструктивную интерференцию, которая повышает отражательную способность по широкому угловому диапазону, сохраняя эффективность извлечения.

В этой работе мы представляем подход первичной оптики, который наносит TiO₂/SiO₂ диэлектрическую стопку, покрытую тонким алюминиевым слоем, на поверхность микро-светодиода. Полученный HRTF достигает >90% отражательности на доминирующей длине волны 460 нм, значительно расширяет конус эмиссии и сохраняет электрические и оптические характеристики устройства. Полноугловые микро-светодиоды с такими покрытиями могут революционизировать коммерческие рекламные дисплеи и решения планарного освещения, требующие широких углов обзора.

Материалы и методы

Геометрия микро-светодиодного кристалла и базовое световое поле

Исследуемые микро-светодиоды имеют длину (Lc) 150 мкм, ширину (Wc) 85 мкм и высоту (Hc) 85 мкм. Рисунок 1 показывает угловой профиль интенсивности голого кристалла: центральная интенсивность (Ic) составляет 92% от пика, пик происходит при 15°, а FWHM составляет 135°. Эти значения подтверждают Ламбертовскую природу излучателя и мотивируют необходимость расширения конуса эмиссии.

Проектирование высокорефлективного тонкопленочного покрытия (HRTF)

HRTF состоит из диэлектрической стопки чередующихся слоев TiO₂ (высокий индекс) и SiO₂ (низкий индекс), завершаемой тонкой Al пленкой. Диэлектрическая пара (HL) работает на оптической толщине λ/4 для максимизации конструктивной интерференции. Al слой вносит дополнительную отражательность, сохраняя низкое поглощение. Преломляющие индексы при длине волны 460 нм суммированы в Таблице 1.

Симуляция и оптимизация

Используя программное обеспечение Macleod для оптической симуляции, оценивались четыре кандидата стопки: чистый Al, Al/(HL), (HL)², Al/(HL)² и Al/(HL)³. Отражательность при 460 нм для этих структур составляет 85,5%, 86,2%, 71,8%, 90,2% и 93,0% соответственно. Хотя Al/(HL)³ предлагает высшую отражательность, его увеличенная толщина металла повышает поглощение и сложность фабрикации. Al/(HL)² обеспечивает сбалансированный компромисс с 90,2% отражательностью, 4,5% пропусканием и 5,4% поглощением, удовлетворяя цель >90% отражательности при минимальных потерях.

Результаты и обсуждение

Сканирующая электронная микроскопия подтверждает равномерность наносимого HRTF стека. Размеры кристалла для тестированного прототипа составляют 240 мкм × 140 мкм × 100 мкм. Рисунки 7 и 8 показывают вид сверху и снизу и поперечный срез, выявляя толщины слоев 20,6 нм Al, два слоя TiO₂ (≈46 нм каждый) и два слоя SiO₂ (≈77 нм каждый), соответствующие проектным спецификациям.

Электрическая производительность остается практически неизменной после покрытия. При 30 мА голый микро-светодиод доставляет 33,833 мВт, 3,293 В и 41,84% EQE; с HRTF значения составляют 32,757 мВт, 3,301 В и 40,51% EQE — пренебрежимое падение EQE 3,3%. При 50 мА световой поток уменьшается только на 3,3% относительно голого устройства, подчеркивая минимальную оптическую пенальти покрытия.

Тесты спектральной стабильности показывают, что пиковая длина волны смещается всего на 5,5 нм при увеличении тока управления от 2 до 30 мА, а температурно-индуцированное смещение составляет скромные 2,4 нм от 25 °C до 105 °C. Долгосрочное старение при 30 мА и 25 °C сохраняет 98,5% исходного светового потока после 1000 ч, подтверждая долговечность покрытия.

Измерения светового распределения раскрывают самое впечатляющее улучшение: FWHM расширяется от 135° до 165°, пиковый угол повышается от 15° до 37,5°, а центральная интенсивность падает до 63% от исходной. Эти изменения указывают на более широкий, более равномерный паттерн эмиссии, подходящий для приложений с широким углом обзора.

Будущая работа может расширить дизайн на полный видимый спектр увеличением толщины Al сверх 50 нм, тем самым улучшая цветовую равномерность по 400–780 нм.

Заключение

Мы продемонстрировали, что тщательно спроектированное HRTF покрытие — состоящее из Al/(HL)² стека — может трансформировать Ламбертовскую эмиссию микро-светодиода в полноугловой, 165° радиансный профиль с лишь 3,3% снижением светового потока. Покрытие сохраняет электрическую производительность микро-светодиода, спектральную стабильность и долгосрочную долговечность, делая его практичным решением для дисплеев с широким углом обзора и планарного освещения. Этот подход устраняет необходимость в громоздких вторичных оптических элементах и проложивает путь для следующего поколения высокоэффективных, широкоугольных микро-светодиодных продуктов.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, поддерживающие выводы этой статьи, доступны внутри статьи.

Аббревиатуры

micro-LEDs:

Микро-светодиоды

FWHM:

Полная ширина на полумаксимуме

TV:

Телевизор

LCDs:

Жидкокристаллические дисплеи

OLEDs:

Органические светодиоды

SCMS:

Суперклеточные метаповерхности

TITO:

Титан-индий-олово оксид

NIR-LEDs:

Ближний ИК светодиоды

CSP-LEDs:

Chip Scale Package-светодиоды

PSS:

Структурированный сапфировый субстрат

NPSS:

Нано-структурированный сапфировый субстрат

Lc:

Длина микро-светодиода

Wc:

Ширина микро-светодиода

Hc:

Высота микро-светодиода

Ipeak:

Пиковая угловая интенсивность

Ic:

Центральная световая интенсивность

HRTF:

Высокорефлективная тонкопленочная пленка

MQW:

Множественные квантовые ямы

H:

Материал с высоким преломляющим индексом

L:

Материал с низким преломляющим индексом

k:

Коэффициент затухания

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

L–I–V:

Люминесцентность-ток-напряжение

IV:

Ток против напряжения