Оптимизация высокоотражающей тонкой пленки для полноугольных микро-светодиодов

Введение

Дисплеи стали неотъемлемой частью человеческой жизни, включая смартфоны, компьютерные мониторы, телевидение (ТВ) и коммерческие рекламные экраны, которые являются некоторыми примерами наиболее часто используемых технологий отображения. Текущие основные технологии отображения включают жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи), органические светодиоды (OLED) и светодиоды микро-размеров (микро-светодиоды) [1,2,3]. ЖК-дисплеи имеют такие преимущества, как долгий срок службы, низкая цена и отработанная технология [4,5,6]; тем не менее, общая светоотдача больших ЖК-дисплеев с прямой подсветкой по-прежнему невысока, а их структура сложна, что затрудняет уменьшение общей толщины [7,8,9].

OLED-светодиоды обладают преимуществами самосвечения при применении к дисплеям, небольшим размером, высокой гибкостью, высокой контрастностью и широкой цветовой гаммой [10,11,12]; однако для решения проблемы плохой чистоты цвета, вызванной смешиванием красного, зеленого и синего субпикселей при излучении света, необходимо использовать сложные и тонкие металлические маски, которые также ограничивают разрешение и яркость OLED-дисплеев. поскольку сокращают их общую продолжительность жизни из-за характеристик внутренних органических материалов [13,14,15].

Микро-светодиоды обладают такими преимуществами, как высокая яркость, длительный срок службы и высокая эффективность, в дополнение к преимуществам ЖК-дисплеев и OLED [16,17,18]. Дисплеи с микро-светодиодами являются самосветящимися и используют очень маленькие микросхемы светодиода в качестве точечных источников света, что дает такие преимущества, как высокая светоотдача, длительный срок службы, высокая чистота цвета, высокая контрастность и высокая химическая стабильность [19,20,21]; однако такие дисплеи по-прежнему имеют проблемы, такие как уменьшение размеров микро-светодиодов и относительно высокая точность подложки оборудования, что вызывает проблемы с технологией передачи большого количества микро-светодиодов [22,23,24].

Помимо трудностей, связанных с производственным процессом, при использовании микро-светодиодов в качестве источников света отображаемые узоры светового поля имеют ламбертовские характеристики, что вызывает такие проблемы, как ограниченные углы обзора при применении к коммерческим рекламным дисплеям [25]. Таким образом, увеличение углов излучения микро-светодиодов не только увеличивает углы обзора дисплеев, но также уменьшает их количество и толщину при использовании в качестве подсветки ЖК-дисплеев. До сих пор исследования по оптимизации углов излучения света микро-светодиодов не проводились, поэтому ожидается, что улучшение этой области исследований принесет пользу [26,27,28]. В последние годы ученые предложили оптические конструкции для оптимизации углов излучения света. Spägele et al. предложены метаповерхности суперячейки (SCMS), которые используют связь между соседними атомами в суперячейке для достижения широкоугольных эффектов; Estakhri et al. предложили конструкцию высокоэффективной метаповерхности с градиентом обратного отражения видимого света, состоящей из нанопроволок TiOx, для достижения широких углов; Deng et al. предложили тонкие металлические нанорешетки с прямоугольными канавками для создания метаповерхностей для увеличения углов выхода света [29,30,31]. Qiu et al. предложили структуры Au nanomesh с неупорядоченными апертурами двойного размера в качестве нового типа прозрачной проводящей пленки для достижения широких углов обзора; Лю и др. предложили использовать графен в качестве прозрачной проводящей пленки из-за его преимуществ оптической анизотропии и высокого пропускания света в областях падения под большим углом; кроме того, для инфракрасных светодиодов Lee et al. изучал разработку тонких пленок титана-индия-оксида олова (TITO) для низкотемпературных светодиодов ближнего инфракрасного диапазона (NIR-LEDs) путем введения Ti-барьеров толщиной 2 нм между верхними слоями NIR-светодиодов и ITO для достижения широкоугольных эффектов [32,33,34].

Также сообщалось об исследованиях, связанных с модуляцией распределения света с помощью вторичных оптических элементов. Run et al. разработал новую линзу с поверхностью произвольной формы, внутренняя поверхность которой представляет собой цилиндр, а внешняя поверхность представляет собой поверхность произвольной формы, чтобы оптимизировать углы излучения света; Lin et al. предложили решетку линз произвольной формы с декартовым распределением по канделам для оптимизации компоновки массива линз светодиодов для достижения широких углов [35, 36]. Кроме того, исследования по модуляции формы света для светодиодов Chip Scale Package-LED (CSP LED) включают изменение традиционных структур упаковки и оптимизацию распределения света для плоских источников света [37, 38].

Несколько исследователей также рассмотрели различные конструкции светодиодных подложек для изменения структуры светового поля. Lai et al. использовали процесс влажного травления серной кислотой для формирования треугольного пирамидального рисунка на сапфировых подложках с плоскостью c для достижения более высокой эффективности вывода света и увеличения углов освещения; Lan et al. предложила узорчатую сапфировую подложку (PSS) в сочетании с упакованными перевернутыми трапециевидными микросветодиодами с перевернутым кристаллом, которые показывают сильные пики и большие углы света; Zhang et al. исследовали перевернутые светодиоды глубокого ультрафиолета со структурами сапфировой подложки с наноразмерным рисунком (NPSS), чтобы показать, что структура NPSS может достигать больших углов и увеличивать эффективность вывода света [39,40,41]. В оптические модули также были добавлены оптические компоненты для модуляции распределения света. Wang et al. предложили компактный модуль направленной задней подсветки в сочетании с полосатым рассеянным отражателем для рассеивания света через компактную световодную пластину и реализации широких углов обзора; Ли и др. разработали четвертьволновую пластину замедлителя закручивания для достижения эффектов ахроматической аберрации и широких углов обзора [42, 43].

Чтобы получить широкий угол обзора, ЖК-экран должен быть спроектирован и соответствовать материалу широкоугольной подсветки и жидкокристаллического материала. В этом процессе возникают проблемы с боковой утечкой света и смещением цвета. С тремя группами направленной подсветки и ЖК-панелью с быстрым переключением демонстрируется отображение светового поля с временным уплотнением и углом обзора 120 градусов [44].

Таким образом, в предыдущих исследованиях по улучшению углов испускания света отсутствуют соответствующие исследования по конструкции оптических пленок на микросхемах микро-светодиодов для увеличения углов испускания света. Поскольку размеры микро-светодиодов в последнее время значительно уменьшились, невозможно регулировать типы светового поля с помощью вторичных оптических линз, как в традиционных светодиодах. Предыдущие исследования также предлагали регулировать типы светового поля с помощью металлических пленок; металлы обладают отличной отражательной способностью под разными углами, но материалы имеют высокие коэффициенты поглощения света, что снижает эффективность светоотдачи. Отражательная способность диэлектрических материалов под разными углами не сравнительно лучше, чем у металлов, но сами материалы имеют низкие коэффициенты поглощения света. В этой статье предлагается первичная оптическая конструкция диэлектрических и металлических пленок для получения тонких пленок с низким поглощением и высокой отражательной способностью, нанесенных на поверхности микро-светодиодов, и достижения полноугольного распределения света с учетом светоотдачи и полноугольного света. излучения микро-светодиодов. Полноугольные микро-светодиоды дают преимущества при использовании в коммерческих рекламных дисплеях или модулях плоских источников света, которым требуются широкие углы обзора.

Материалы и методы

Размеры микросхем микросветов и типы светового поля

Размеры микро-светодиодов, использованных в этом исследовании, основаны на длине L _c , ширина W _c и высота H _c составляют 150 мкм, 85 мкм и 85 мкм соответственно. Кривая светораспределения голого чипа показана на рис. 1. Интенсивность центральной точки в нормальном направлении I _C составляет 92%, угол пика I _пик составляет 15 °, а метод расчета интенсивности центральной точки выражается формулой. (1). Из кривой распределения света видно, что микросветодиоды имеют похожие типы ламбертовского света с полной шириной на полувысоте (FWHM) 135 °; поэтому увеличение углов излучения света для получения полноугольной люминесценции без использования вторичной оптической линзы является основным направлением исследований в этой работе.

Кривая распределения света микросхемы светодиодов

Среди вышеупомянутых параметров низкая интенсивность центрального света и увеличенный пиковый световой угол помогают улучшить однородность и угол обзора [45]. В этом исследовании представлена ​​конструкция высокоотражающего тонкопленочного слоя (HRTF) на поверхности микросхемы микросветодиода, который включает диэлектрическую пленку из TiO ₂ / SiO ₂ уложенные друг на друга диэлектрические материалы и металлическая пленка из Al. Структура микро-светодиодов и путь прохождения света показаны на рис. 2. Свет выходит через слой с множеством квантовых ям (МКЯ) и частично отражается HRTF. После этого свет выходит из боковой стенки Al ₂ О ₃ слой, с увеличенным углом выхода света от микро-светодиодов для реализации полноугольного выхода света.

Световой путь внутри полноугольных микро-светодиодов с покрытием HRTF

Материалы HRTF

Выбор материалов, используемых в оптической пленке, имеет решающее значение для достижения желаемых характеристик. Во-первых, материал должен иметь низкий коэффициент экстинкции в требуемом диапазоне длин волн, чтобы избежать снижения эффективности вывода света из-за большого поглощения; Затем необходимо учитывать адгезию материала, физическую и химическую стабильность и светопропускание. Диэлектрический материал TiO ₂ / SiO ₂ обладает отличными характеристиками по этим свойствам в диапазоне видимого света. Al имеет относительно высокий коэффициент экстинкции, но его отражательную способность нелегко уменьшить с увеличением углов падения; однако он может выдерживать высокую яркость света. Исходя из вышеуказанных характеристик, материал с высоким показателем преломления ( H ) TiO ₂ и материал с низким показателем преломления ( L ) SiO ₂ используются для диэлектрической пленки, а Al используется для металлической пленки с Al ₂ О ₃ в качестве подложки для оптической тонкопленочной конструкции. Показатели преломления материалов, использованных в этом исследовании, показаны в таблице 1 при доминирующей длине волны 460 нм.

Оптимизация дизайна HRTF

Подложка, используемая для светоизлучающей поверхности микро-светодиодов, представляет собой Al ₂ . О ₃ . Мы разработали HRTF на подложке и использовали диэлектрические и металлические пленки для улучшения отражательной способности при сохранении высокой светоотдачи. Целью здесь было достижение коэффициента отражения> 90% на доминирующей длине волны 460 нм. Принцип, лежащий в основе конструкции HRTF, заключается в использовании деструктивных и конструктивных интерференционных характеристик света для улучшения отражательной способности. Максимальная световая интерференция в пленочной среде возникает, когда оптическая толщина составляет 1/4 длины волны, а коэффициент отражения R границы раздела в это время рассчитывается согласно формуле. (2) [46].

Здесь P количество TiO ₂ –SiO ₂ периодов, \ ({} n _ {{\ text {s}}} \) - показатель преломления подложки, \ (n_ {1} \) - показатель преломления TiO ₂ , \ (n_ {2} \) - показатель преломления SiO ₂ , а \ (n _ {{{\ text {air}}}} \) - показатель преломления воздушной среды. Оптическая толщина пропускания составляет 1/4 длины волны; следовательно, физические толщины Al, TiO ₂ , и SiO ₂ равны 20 нм, 47,78 нм и 78,50 нм соответственно. В этом исследовании используется программа оптического моделирования Macleod для моделирования четырех тонкопленочных структур для чистого Al, Al / (HL), Al / (HL) ² , и Al / (HL) ³ .

На рисунке 3 показано соотношение между длиной волны и коэффициентом отражения чистого Al, Al / (HL), (HL) ² . , Al / (HL) ² , и Al / (HL) ³ пяти структур мембранных стопок в смоделированном диапазоне длин волн 400–500 нм. Коэффициент отражения чистого Al, Al / (HL), (HL) ² , Al / (HL) ² , и Al / (HL) ³ при 460 нм составляет 85,53%, 86,15%, 71,84%, 90,23% и 93,04% соответственно.

Отражение чистого Al, Al / (HL), (HL) ² , Al / (HL) ² , и Al / (HL) ³ моделировалось на длинах волн 400–500 нм

В таблице 2 показаны коэффициенты отражения, пропускания и поглощения пяти типов мембранных пакетных структур, а именно чистого Al, Al / (HL), (HL) ² , Al / (HL) ² , и Al / (HL) ³ . Коэффициент пропускания чистого алюминия при 460 нм составляет 5%, а коэффициент поглощения составляет 9,47%, что является самым высоким коэффициентом поглощения среди пяти типов мембранных пакетов. Коэффициент пропускания (HL) ² размер пакета мембран при 460 нм составляет 28,06%, а степень поглощения составляет 0,1%; этот коэффициент поглощения напрямую влияет на общую эффективность вывода света; кроме того, эта структура пакета мембран имеет наименьшую степень поглощения, а ее отражательная способность составляет всего 71,84%. Аль / (HL) ² мембранный пакет имеет коэффициент пропускания 4,38% при 460 нм и степень поглощения 5,39%; Эта структура мембранного стека учитывает общую эффективность вывода света и полноугольное распределение света. Учитывая как лучистый поток, так и общую эффективность вывода света, Al / (HL) ² В данном исследовании для покрытия HRTF использовалась структура мембранного пакета.

На рисунке 4 показано моделирование Al / (HL) ² и (HL) ² а также соответствующие графики отражения и пропускания для 400–500 нм. Средний коэффициент отражения и пропускания Al / (HL) ² составляют 89,6% и 4,54%, а средний коэффициент отражения и пропускания (HL) ² составляют 70,3% и 29,56% соответственно. Из результатов моделирования видно, что добавление тонкого слоя алюминия увеличивает коэффициент отражения в 1,27 раза.

Коэффициенты отражения и пропускания смоделированных тонкопленочных структур Al / (HL) ² и (HL) ² для длин волн в диапазоне 400–500 нм

На рисунке 5 показаны изменения (а) коэффициента пропускания и отражения Al / (HL) ² . под разными углами падения; от 0 ° до 60 ° средний коэффициент отражения составляет 87,7%, а средний коэффициент пропускания - 6,97%. Рисунок 5b. Коэффициент пропускания и отражения (HL) ² под разными углами падения; от 0 ° до 60 ° средний коэффициент отражения составляет 68,99%, а средний коэффициент пропускания - 30,88%. В конструкции полноугольной световозвращающей пленки Al / (HL) ² Из результатов моделирования видно, что добавление тонкого слоя алюминия увеличивает полный угол среднего отражения в 1,27 раза.

Изменения коэффициента отражения и пропускания смоделированного a Al / (HL) ² для углов падения 0–90 ° и b (HL) ² для углов падения 0–90 °

На рисунке 6 показана смоделированная трехмерная диаграмма длины волны / угла падения / коэффициента отражения для Al / (HL) ² . для углов падения 0–25 ° и средней отражательной способности более 90% в диапазоне длин волн 440–480 нм.

Трехмерная диаграмма взаимосвязи смоделированных длин волн, углов падения и отражательной способности Al / (HL) ²

Результаты и обсуждение

На рис. 7 показаны изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), покрытия HRTF микросхемы светодиодов. Длина чипа L _c составляет 240 мкм, ширина W _c составляет 140 мкм, а высота H _c составляет 100 мкм. На рис. 8а показан вид сверху, а на рис. 8b - снизу.

СЭМ-изображения микросхемы светодиодов: a вверху и b виды снизу

Поперечное СЭМ изображение HRTF

На рис. 8 показано поперечное сечение микросхемы светодиодов с покрытием HRTF, полученное на сканирующем электронном микроскопе. Пакет прототипов пленок HRTF включает пленку Al толщиной 20,6 нм, TiO ₂ толщиной диэлектрической пленки 46,3 нм и 46,2 нм и SiO ₂ толщиной диэлектрической пленки 77,5 нм и 77,1 нм.

На рис. 9 показана измеренная кривая яркости-вольт-амперной характеристики (L-I-V). При входном токе 30 мА результаты показывают, что без покрытия HRTF выходной поток излучения, напряжение и внешний квантовый выход (EQE) составляют 33,833 мВт, 3,293 В и 41,84% соответственно. Напряжение, выходная мощность и EQE покрытия HRTF составляют 3,301 В, 32,757 мВт и 40,51% соответственно. Результаты показывают, что покрытие HRTF практически не влияет на характеристики кривой зависимости тока от напряжения (IV) микро-светодиодов. EQE покрытия HRTF составляет 3,178%.

Фотоэлектрические характеристики микро-светодиодов без и с покрытием HRTF

Когда входной ток увеличивается до 50 мА, это напряжение и выходная мощность увеличиваются до 3,5 В и 48,165 мВт соответственно, а лучистый поток лишь примерно на 3,3% ниже, чем у микро-светодиодов без покрытия HRTF. Это показывает, что микро-светодиоды с покрытием из HRTF имеют низкую скорость изменения напряжения и низкие характеристики оптических потерь.

На рисунке 10 показаны характеристики дрейфа преобладающей длины волны тока для микро-светодиодов с пакетным покрытием из HRTF. Оранжевая линия представляет собой голые микро-светодиоды, а синяя линия - микро-светодиоды с покрытием HRTF. Когда ток увеличивается с 2 до 30 мА, пиковая длина волны изменяется с 465,47 до 460,01 нм, указывая на то, что микро-светодиоды покрыты пакетом Al / (HL) ² мембраны показывают изменение только на 5,46 нм для доминирующей длины волны тока; следовательно, эти результаты показывают, что фотоэлектрические свойства исходных неизолированных микро-светодиодов сохраняются.

Изменения в характеристических кривых доминирующих длин волн микро-светодиодов с Al / (HL) и без него ² пленочное покрытие

На рисунке 11 показаны характеристические кривые зависимости температуры от длины волны пика. Оранжевая линия представляет собой голые микро-светодиоды, а синяя линия - микро-светодиоды с покрытием HRTF. При повышении температуры от 25 до 105 ° C длина волны пика смещается в красную область от 460,09 до 462,45 нм; Эти две кривые показывают, что исходные фотоэлектрические характеристики все еще сохраняются после покрытия HRTF. Преобладающий сдвиг длины волны составляет всего 2,36 нм.

Характеристические кривые пиковых длин волн для микро-светодиодов с Al / (HL) и без него ² пленочные покрытия в зависимости от температуры

Тест на долговременную стабильность HRTF показан на рис. 12. Температура окружающей среды при испытании составляет 25 ℃, а ток возбуждения - 30 мА. Через 1000 ч лучистый поток может поддерживаться на уровне 98,5%.

Тест на долгосрочную стабильность HRTF

На рисунке 13 показаны кривые светораспределения неокрашенных микро-светодиодов и микро-светодиодов с покрытием из HRTF. Черная линия представляет собой диаграмму светового поля голых микро-светодиодов, у которых FWHM составляет 135 °, интенсивность центрального света составляет 92%, а угол пика составляет 15 °. Красная линия представляет собой распределение света микро-светодиодов с покрытием HRTF, у которых FWHM увеличена до 165 °, интенсивность центрального света уменьшена до 63%, а угол пика увеличен до 37,5 °.

Кривые светораспределения голых микродисплей и микро-светодиодов с покрытием из HRTF

На рисунке 14 показана диаграмма светового распределения (а) микросветов без покрытия и с покрытием из HRTF. На рисунке 14b показано, что распределение света микро-светодиодов с покрытием HRTF имеет более широкие углы и более равномерное распределение.

Схема распределения света a голая и б Микро-светодиоды с покрытием HRTF

Хроматическая аберрация между различными областями HRTF на большом широкоугольном экране показана на рис. 15.

Соотношение отражательной способности различных длин волн, соответствующих HRTF

Эта статья основана на диапазоне длин волн 440–460 нм для оптимизации конструкции HRTF. Если в будущем он будет применяться для полного цвета, толщина алюминиевой пленки будет увеличена до 50 нм или более, и это будет способствовать лучшей однородности цвета на общей длине волны (400–780 нм).

Выводы

Мы предлагаем дизайн покрытия HRTF на поверхности микро-светодиодов, чтобы увеличить их углы распределения света для достижения полных углов обзора. Мы используем первичную оптическую схему для модуляции формы света микро-светодиодов без вторичных оптических элементов. Структура стопки пленки HRTF оптимизирована с использованием Al / (HL) ² для получения высокого отражения и низкого поглощения. Измерения изготовленных прототипов микро-светодиодов показывают, что вольт-амперная кривая практически не влияет на вольт-амперные характеристики микро-светодиодов при входном токе 30 мА с покрытием из HRTF, а поток излучения составляет всего 3,3. % ниже, чем у голых микро-светодиодов. Что касается углов излучения света, центральная интенсивность света микро-светодиодов с покрытием HRTF снижается с 92 до 63%, угол пика увеличивается с 15 ° до 37,5 °, а FWHM увеличивается с 135 ° до 165 °. .

Результаты оценочных экспериментов показывают, что микро-светодиоды с покрытием HRTF имеют низкую скорость изменения напряжения, низкие оптические потери и большое полноугольное распределение света, составляющее 165 °. Полноугольные микро-светодиоды изготавливаются с учетом общей световой эффективности, сохраняя при этом фотоэлектрические характеристики неизолированных микро-светодиодов; Эти микро-светодиоды дают преимущества при использовании в дисплеях или модулях плоских источников света, которым требуются широкие углы обзора.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, доступны в статье.

Сокращения

микро-светодиоды:

Микросветодиоды

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

ТВ:

Телевидение

ЖК-дисплеи:

Жидкокристаллические дисплеи

OLED:

Органические светодиоды

SCMS:

Метаповерхности суперячейки

TITO:

Оксид титана-индия-олова

NIR-светодиоды:

Светодиоды ближнего инфракрасного диапазона

Светодиоды CSP:

Chip Scale Package - светодиод

PSS:

Узорчатая сапфировая подложка

NPSS:

Сапфировая подложка с нано-рисунком

L _c :

Длина микро-светодиодов

W _c :

Ширина микро-светодиодов

H _c :

Высота микро-светодиодов

I _пик :

Интенсивность пика угла

I _C :

Интенсивность центрального света

HRTF:

Тонкая пленка с высокой отражающей способностью

MQW:

Множественная квантовая яма

H :

Материал с высоким показателем преломления

L :

Материал с низким показателем преломления

k :

Коэффициент экстинкции

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

L – I – V:

Яркость – ток – напряжение

IV:

Зависимость тока от напряжения