Optimización de película fina altamente reflectante para micro-LED de ángulo completo

Introducción

Las pantallas se han convertido en una parte indispensable de la vida humana, incluidos los teléfonos inteligentes, los monitores de computadora, la televisión (TV) y las pantallas de publicidad comercial, que son algunos ejemplos de las tecnologías de visualización más utilizadas. Las tecnologías de visualización convencionales actuales incluyen pantallas de cristal líquido (LCD), diodos emisores de luz orgánicos (OLED) y diodos emisores de luz de tamaño micro (micro-LED) [1, 2, 3]. Los LCD tienen ventajas como una larga vida útil, un precio bajo y una tecnología madura [4, 5, 6]; sin embargo, las eficiencias generales de salida de luz de las pantallas LCD con retroiluminación directa de gran tamaño siguen siendo bajas y su estructura es compleja, lo que dificulta la reducción del grosor general [7,8,9].

Los OLED tienen las ventajas de la autoluminiscencia cuando se aplican a pantallas, tamaño pequeño, alta flexibilidad, alto contraste y amplia gama de colores [10,11,12]; Sin embargo, para resolver el problema de la baja pureza del color causado por la mezcla de los subpíxeles rojo, verde y azul al emitir luz, es necesario utilizar máscaras metálicas complejas y finas, que también limitan la resolución y el brillo de las pantallas OLED. como reducen su vida útil total debido a las características de los materiales orgánicos internos [13, 14, 15].

Los micro-LED tienen las ventajas de un alto brillo, una larga vida útil y una alta eficiencia, además de las ventajas de las pantallas LCD y OLED [16,17,18]. Las pantallas de micro-LED son autoluminosas y utilizan chips de micro-LED extremadamente pequeños como fuentes de luz puntuales, lo que ofrece ventajas de alta eficiencia luminosa, larga vida útil, alta pureza de color, alto contraste y alta estabilidad química [19,20,21]; sin embargo, tales pantallas todavía tienen desafíos, como la contracción de los tamaños de los micro-LED y la precisión del sustrato relativamente alta del equipo, lo que causa problemas con la tecnología de transferencia de una gran cantidad de micro-LED [22,23,24].

Además de las dificultades con el proceso de fabricación, cuando se utilizan micro-LED como fuentes de luz, los patrones de campo de luz mostrados tienen características lambertianas, lo que causa problemas como ángulos de visión limitados cuando se aplican a pantallas publicitarias comerciales [25]. Por lo tanto, aumentar los ángulos de emisión de luz de los micro-LED no solo aumenta los ángulos de visión de las pantallas, sino que también reduce su número y grosor cuando se utilizan como retroiluminación de las pantallas LCD. Hasta ahora, todavía hay una falta de investigación sobre la optimización de los ángulos de emisión de luz de los micro-LED, por lo que se espera que mejorar esta área de estudio sea beneficioso [26, 27, 28]. En los últimos años, los estudiosos han propuesto diseños ópticos para optimizar los ángulos de emisión de luz. Spägele y col. metasuperficies de supercélulas propuestas (SCMS) que utilizan el acoplamiento entre átomos adyacentes en la supercélula para lograr efectos de gran angular; Estakhri y col. propuso el diseño de una metasuperficie de gradiente de luz visible reflejada por retroceso altamente eficiente compuesta de nanocables de TiOx para lograr ángulos amplios; Deng y col. propusieron nano-rejillas metálicas delgadas con ranuras rectangulares para construir metasuperficies para aumentar los ángulos de salida de la luz [29, 30, 31]. Qiu y col. propuso estructuras de Au nanomesh con aberturas desordenadas de doble tamaño como un nuevo tipo de película conductora transparente para lograr amplios ángulos de visión; Liu y col. propuso usar grafeno como película conductora transparente debido a sus ventajas de anisotropía óptica y alta transmitancia de luz en áreas de incidencia de gran ángulo; además, para LED infrarrojos, Lee et al. estudió el desarrollo de películas delgadas de titanio-indio-óxido de estaño (TITO) para diodos emisores de luz de infrarrojo cercano de baja temperatura (NIR-LED) mediante la inserción de barreras de Ti de 2 nm de espesor entre las capas superiores de los NIR-LED y ITO para lograr efectos de gran angular [32,33,34].

También se han informado investigaciones relacionadas con la modulación de las distribuciones de luz utilizando elementos ópticos secundarios. Run et al. diseñó una nueva lente de superficie de forma libre cuya superficie interior es un cilindro y la superficie exterior es una superficie de forma libre para optimizar los ángulos de emisión de luz; Lin y col. propuso una matriz de lentes de forma libre distribuida en candelas cartesianas para optimizar la disposición de la matriz de lentes LED para lograr ángulos amplios [35, 36]. Además, la investigación sobre la modulación de la forma de la luz para diodos emisores de luz (LED CSP) de escala de chip incluye el cambio de las estructuras de embalaje tradicionales y la optimización de la distribución de la luz para fuentes de luz planas [37, 38].

Varios investigadores también han considerado varios diseños de sustrato LED para cambiar los patrones del campo de luz. Lai y col. usó un proceso de grabado en húmedo con ácido sulfúrico para formar un patrón piramidal triangular en sustratos de zafiro del plano c para lograr mayores eficiencias de extracción de luz y aumentar los ángulos de luz; Lan y col. propuso un sustrato de zafiro estampado (PSS) combinado con micro-LED de chip invertido trapezoidal invertido empaquetados que muestran picos fuertes y ángulos de luz grandes; Zhang y col. estudiaron los LED ultravioleta ultravioleta flip-chip con estructuras de sustrato de zafiro con patrón nano (NPSS) para demostrar que la estructura NPSS puede lograr ángulos amplios y mejorar la eficiencia de extracción de luz [39, 40, 41]. También se han agregado componentes ópticos a los módulos ópticos para modular las distribuciones de luz. Wang y col. propuso un módulo compacto de retroiluminación de alta direccionalidad combinado con un reflector difuso rayado para difundir la luz a través de una placa guía de luz compacta y obtener amplios ángulos de visión; Li y col. diseñó una placa de cuarto de onda de un retardador de torsión múltiple para lograr efectos de aberración acromática y ángulos de visión amplios [42, 43].

Para lograr un ángulo de visión amplio, la pantalla LCD debe diseñarse y combinar con material de cristal líquido y retroiluminación de gran angular. En este proceso, existen problemas de fuga de luz lateral y cambio de color. Con tres grupos de retroiluminación direccional y un panel LCD de conmutación rápida, se muestra una pantalla de campo de luz multiplexada en el tiempo con un ángulo de visión amplio de 120 grados [44].

Por lo tanto, las investigaciones anteriores sobre la mejora de los ángulos de emisión de luz carecen de investigaciones relevantes sobre el diseño de películas ópticas en chips de micro-LED para aumentar los ángulos de emisión de luz. Dado que los tamaños de los micro-LED se han reducido considerablemente en los últimos tiempos, es imposible ajustar los tipos de campo de luz utilizando lentes ópticas secundarias como en los LED tradicionales. Estudios anteriores también han propuesto ajustar los tipos de campo de luz con películas metálicas; los metales tienen una excelente reflectividad en diferentes ángulos, pero los materiales tienen altos coeficientes de absorción de luz que reducen las eficiencias de salida de luz. La reflectividad de los materiales dieléctricos en diferentes ángulos no es relativamente mejor que la de los metales, pero los propios materiales tienen bajos coeficientes de absorción de luz. Este documento propone un diseño óptico primario para películas dieléctricas y metálicas para obtener películas delgadas de baja absorción y alta reflectividad depositadas en las superficies de micro-LED y lograr una distribución de luz de ángulo completo mientras se tienen en cuenta las eficiencias de salida de luz y la luz de ángulo completo. emisiones de los micro-LED. Los micro-LED de ángulo completo ofrecen ventajas cuando se aplican a pantallas publicitarias comerciales o módulos de fuente de luz plana que requieren amplios ángulos de visión.

Materiales y métodos

Tamaños de chips de micro-LED y tipos de campos de luz

Las dimensiones de los micro-LED utilizados en este estudio en función de la longitud L _c , ancho W _c y altura H _c son 150 µm, 85 µm y 85 µm, respectivamente. La curva de distribución de luz del chip desnudo se muestra en la Fig. 1. La intensidad del punto central en la dirección normal I _C es 92%, el ángulo de pico I _pico es 15 °, y el método de cálculo de la intensidad del punto central se expresa mediante la ecuación. (1). A partir de la curva de distribución de la luz, se ve que los micro-LED tienen tipos de luz lambertiana similares, con un ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) de 135 °; por lo tanto, aumentar los ángulos de emisión de luz para obtener luminiscencia de ángulo completo sin la lente óptica secundaria es el foco principal de investigación en este trabajo.

$$ \ frac {{I _ {{{\ text {C}}}} \, \ left ({{\ text {Center}} \, {\ text {light}} \, {\ text {intensidad}}} \ right)}} {{I _ {{{\ text {pico}}}} \, \ left ({{\ text {pico}} \, {\ text {ángulo}} \, {\ text {intensidad}} } \ right)}} \ times 100 \% $$ (1)

Curva de distribución de luz de chip de micro-LED

Entre los parámetros antes mencionados, la baja intensidad de la luz central y el aumento del ángulo máximo de iluminación ayudan a mejorar la uniformidad y el ángulo de visión [45]. Este estudio presenta el diseño de una capa de película fina altamente reflectante (HRTF) en la superficie del chip de micro-LED, que incluye una película dieléctrica hecha de TiO ₂ / SiO ₂ materiales dieléctricos apilados y una película metálica hecha de Al. La estructura de los micro-LED y la trayectoria de la luz a través de ellos se muestran en la Fig. 2. La luz sale a través de la capa de múltiples pozos cuánticos (MQW) y es reflejada parcialmente por el HRTF. A partir de entonces, la luz sale de la pared lateral del Al ₂ O ₃ capa, con un ángulo de salida de luz aumentado de los micro-LED para realizar una salida de luz de ángulo completo.

La trayectoria de la luz dentro de los micro-LED de ángulo completo con revestimiento HRTF

Materiales de la HRTF

La elección de los materiales utilizados en la película óptica es fundamental para lograr las características deseadas. Primero, el material debe tener un coeficiente de extinción bajo en la banda de longitud de onda requerida para evitar reducir la eficiencia de extracción de luz debido a una gran absorción; luego, se deben considerar la adhesión del material, las estabilidades físicas y químicas y la transmitancia de luz. El material dieléctrico TiO ₂ / SiO ₂ tiene excelentes características para estas propiedades en la banda de luz visible. El Al tiene un coeficiente de extinción relativamente alto, pero su reflectividad no puede disminuirse fácilmente al aumentar los ángulos de incidencia; sin embargo, puede soportar altas intensidades de luz. Según las características anteriores, el material de alto índice de refracción ( H ) TiO ₂ y material de bajo índice de refracción ( L ) SiO ₂ se utilizan para la película dieléctrica, y Al se utiliza para la película metálica, con Al ₂ O ₃ como sustrato para el diseño óptico de película delgada. Los índices de refracción de los materiales utilizados en este estudio se muestran en la Tabla 1 a la longitud de onda dominante de 460 nm.

Optimización del diseño HRTF

El sustrato utilizado para la superficie emisora ​​de luz de los micro-LED es Al ₂ O ₃ . Diseñamos el HRTF sobre el sustrato y usamos las películas dieléctricas y metálicas para mejorar la reflectividad mientras se mantiene una alta eficiencia luminosa. El objetivo aquí era lograr una reflectancia> 90% a la longitud de onda dominante de 460 nm. El principio detrás del diseño del HRTF es utilizar las características de interferencia constructiva y destructiva de la luz para mejorar la reflectividad. La interferencia de luz máxima en el medio de la película ocurre cuando el espesor óptico es 1/4 de la longitud de onda, y la reflectividad de la interfaz R en este momento se calcula de acuerdo con la Ec. (2) [46].

$$ R =\ frac {{n _ {{\ text {s}}} n_ {2} ^ {2P} - n _ {{{\ text {air}}}} n_ {1} ^ {2P}}} { {n _ {{\ text {s}}} n_ {2} ^ {2P} + n _ {{{\ text {air}}}} n_ {1} ^ {2P}}} $$ (2)

Aquí, P es el número de TiO ₂ –SiO ₂ períodos, \ ({} n _ {{\ text {s}}} \) es el índice de refracción del sustrato, \ (n_ {1} \) es el índice de refracción de TiO ₂ , \ (n_ {2} \) es el índice de refracción de SiO ₂ , y \ (n _ {{{\ text {air}}}} \) es el índice de refracción del medio aéreo. El espesor óptico de transmisión es 1/4 de la longitud de onda; por lo tanto, los espesores físicos de Al, TiO ₂ y SiO ₂ son 20 nm, 47,78 nm y 78,50 nm, respectivamente. Este estudio utiliza el software de simulación óptica Macleod para simular cuatro estructuras de película delgada para Al, Al / (HL), Al / (HL) ² puros y Al / (HL) ³ .

La Figura 3 muestra la relación entre la longitud de onda y la reflectancia de Al puro, Al / (HL), (HL) ² , Al / (HL) ² y Al / (HL) ³ de las cinco estructuras de pila de membranas en el rango de longitud de onda simulada de 400 a 500 nm. La reflectividad de Al puro, Al / (HL), (HL) ² , Al / (HL) ² y Al / (HL) ³ a 460 nm es 85,53%, 86,15%, 71,84%, 90,23% y 93,04%, respectivamente.

Reflectancia de Al puro, Al / (HL), (HL) ² , Al / (HL) ² y Al / (HL) ³ se simuló en longitudes de onda de 400 a 500 nm

La Tabla 2 muestra las relaciones de reflectancia, transmitancia y absorción de los cinco tipos de estructuras de apilamiento de membranas, a saber, Al puro, Al / (HL), (HL) ² , Al / (HL) ² y Al / (HL) ³ . La tasa de transmitancia del aluminio puro a 460 nm es del 5% y la tasa de absorción es del 9,47%, que es la tasa de absorción más alta entre los cinco tipos de pilas de membranas. La transmitancia del (HL) ² la pila de membranas a 460 nm es del 28,06% y la tasa de absorción es del 0,1%; esta tasa de absorción afecta directamente a la eficiencia general de extracción de luz; además, esta estructura de pila de membranas tiene la tasa de absorción más pequeña y su reflectividad es solo del 71,84%. El Al / (HL) ² la pila de membranas tiene una transmitancia del 4,38% a 460 nm y una tasa de absorción del 5,39%; esta estructura de pila de membranas tiene en cuenta la eficiencia general de extracción de luz y la distribución de luz de ángulo completo. Teniendo en cuenta tanto el flujo radiante como la eficiencia general de extracción de luz, el Al / (HL) ² La estructura de pila de membranas se utilizó en este estudio para el revestimiento HRTF.

La Figura 4 muestra la simulación de Al / (HL) ² y (HL) ² así como sus correspondientes gráficas de reflectancia y transmitancia para 400–500 nm. La reflectancia y transmitancia promedio de Al / (HL) ² son 89,6% y 4,54%, y la reflectancia y transmitancia promedio de (HL) ² son 70,3% y 29,56%, respectivamente. Se puede ver en los resultados de la simulación que agregar la fina capa de aluminio aumenta la reflectividad en un factor de 1,27.

Relaciones de reflectancia y transmitancia de las estructuras de película delgada simuladas de Al / (HL) ² y (HL) ² para longitudes de onda en el rango de 400 a 500 nm

La Figura 5 ilustra los cambios en (a) la transmitancia y reflectancia de Al / (HL) ² en diferentes ángulos de incidencia; de 0 ° a 60 °, la reflectancia media es 87,7% y la transmitancia media es 6,97%. Figura 5b. La transmitancia y reflectancia de (HL) ² en diferentes ángulos de incidencia; de 0 ° a 60 °, la reflectancia media es 68,99% y la transmitancia media es 30,88%. En el diseño de película reflectante de ángulo completo, Al / (HL) ² Se puede ver en los resultados de la simulación que agregar la capa delgada de aluminio aumenta el ángulo completo de reflectancia promedio en un factor de 1.27.

Cambios en la relación de reflectancia y transmitancia del a simulado Al / (HL) ² para ángulos de incidencia de 0 a 90 ° y b (HL) ² para ángulos de incidencia de 0 a 90 °

La Figura 6 muestra el diagrama 3D simulado de longitud de onda / ángulo de incidencia / reflectividad de Al / (HL) ² para ángulos de incidencia de 0 a 25 ° y una reflectividad promedio superior al 90% en el rango de longitud de onda de 440 a 480 nm.

Diagrama de relaciones en 3D de las longitudes de onda simuladas, los ángulos de incidencia y la reflectividad de Al / (HL) ²

Resultados y discusión

La Figura 7 muestra las imágenes del microscopio electrónico de barrido (SEM) del revestimiento HRTF del chip de micro-LED. La longitud de la viruta L _c es de 240 µm, ancho W _c mide 140 µm y mide H _c es de 100 µm. La figura 8a muestra la vista superior y la figura 8b muestra la vista inferior.

Imágenes SEM del chip micro-LED: a arriba y b vistas desde abajo

Imagen SEM transversal del HRTF

La Figura 8 muestra la imagen SEM en sección transversal del chip de micro-LED con revestimiento HRTF. La pila de película prototipo HRTF incluye un espesor de película de Al de 20,6 nm, TiO ₂ espesores de película dieléctrica de 46,3 nm y 46,2 nm, y SiO ₂ espesores de película dieléctrica de 77,5 nm y 77,1 nm.

La Figura 9 muestra la curva de luminancia-corriente-voltaje (L – I – V) medida. Con una corriente de entrada de 30 mA, los resultados muestran que sin el revestimiento HRTF, el flujo de radiación de salida, el voltaje y la eficiencia cuántica externa (EQE) son 33,833 mW, 3,293 V y 41,84%, respectivamente. El voltaje, la potencia de salida y el EQE del revestimiento HRTF son 3.301 V, 32.757 mW y 40.51%, respectivamente. Los resultados muestran que el revestimiento HRTF apenas afecta las características de la curva de corriente frente a voltaje (IV) de los micro-LED. El EQE del revestimiento HRTF tiene un deterioro del 3,178%.

Características fotoeléctricas de los micro-LED sin y con revestimiento HRTF

A medida que la corriente de entrada aumenta a 50 mA, este voltaje y potencia de salida aumentan a 3,5 V y 48,165 mW, respectivamente, y el flujo radiante es solo aproximadamente un 3,3% más bajo que el de los micro-LED sin el revestimiento HRTF. Esto muestra que los micro-LED con recubrimientos HRTF tienen tasas de variación de voltaje bajas y características de bajas pérdidas ópticas.

La Figura 10 muestra las características de deriva de la longitud de onda dominante de la corriente para los micro-LED con recubrimientos de pila HRTF. La línea naranja representa los micro-LED desnudos y la línea azul son los micro-LED con revestimiento HRTF. Cuando la corriente aumenta de 2 a 30 mA, la longitud de onda máxima cambia de 465,47 a 460,01 nm, lo que indica que los micro-LED recubiertos con la pila de Al / (HL) ² las membranas muestran un cambio de solo 5,46 nm para la longitud de onda dominante de la corriente; por lo tanto, estos resultados muestran que se mantienen las propiedades fotoeléctricas de los micro-LED desnudos originales.

Cambios en las curvas características de longitud de onda dominante de micro-LED con y sin Al / (HL) ² revestimiento de película apilada

La Figura 11 muestra las curvas características de la temperatura frente a la longitud de onda máxima. La línea naranja representa los micro-LED desnudos y la línea azul son los micro-LED con revestimiento HRTF. A medida que la temperatura aumenta de 25 a 105 ° C, la longitud de onda máxima se desplaza al rojo de 460,09 a 462,45 nm; estas dos curvas muestran que las características fotoeléctricas originales aún se mantienen después del recubrimiento HRTF. El cambio de longitud de onda dominante es de solo 2,36 nm.

Curvas características de las longitudes de onda máximas para micro-LED con y sin Al / (HL) ² recubrimientos de capas de película basados ​​en variaciones de temperatura

La prueba de estabilidad a largo plazo de HRTF se muestra en la Fig. 12. La temperatura ambiente de prueba es de 25 ℃ y la corriente de excitación es de 30 mA. A las 1000 h, el flujo radiante se puede mantener al 98,5%.

La prueba de estabilidad a largo plazo de HRTF

La Figura 13 muestra las curvas de distribución de luz de los micro-LED desnudos y recubiertos de HRTF. La línea negra representa el patrón de campo de luz de los micro-LED desnudos, cuyo FWHM es 135 °, la intensidad de la luz central es 92% y el ángulo de pico es 15 °. La línea roja representa la distribución de luz de los micro-LED con revestimiento HRTF, cuyo FWHM se incrementa a 165 °, la intensidad de la luz central se reduce al 63% y el ángulo de pico aumenta a 37,5 °.

Curvas de distribución de luz de micro-LED desnudos y recubiertos con HRTF

La Figura 14 muestra el diagrama de las distribuciones luminosas de los (a) micro-LED desnudos y recubiertos de HRTF. La Figura 14b muestra que la distribución luminosa de los micro-LED con revestimiento HRTF tiene ángulos más amplios y una distribución más uniforme.

Esquema de las distribuciones luminosas de a desnudo y b Micro-LED con revestimiento HRTF

La aberración cromática entre las diferentes áreas del HRTF como una gran pantalla de visualización de gran angular se muestra en la Fig. 15.

Relación de reflectancia de diferentes longitudes de onda correspondientes a HRTF

Este artículo se basa en el rango de longitud de onda de 440–460 nm para optimizar el diseño de HRTF. Si se aplica a todo color en el futuro, el grosor de la película de aluminio se incrementará a 50 nm o más, y tendrá una mejor uniformidad de color en la longitud de onda global (400-780 nm).

Conclusiones

Proponemos el diseño de un revestimiento HRTF en las superficies de los micro-LED para aumentar sus ángulos de distribución de luz para lograr ángulos de visión completos. Usamos un diseño óptico primario para modular las formas de luz de los micro-LED sin elementos ópticos secundarios. La estructura de la pila de películas HRTF se optimiza utilizando Al / (HL) ² para obtener alta reflexión y baja absorción. Las mediciones en micro-LED fabricados en prototipo muestran que la curva L – I – V casi no tiene impacto en las características I – V de los micro-LED bajo una corriente de entrada de 30 mA con el revestimiento HRTF, y el flujo de radiación es solo 3.3 % más bajo que el de los micro-LED desnudos. En términos de ángulos de emisión de luz, las intensidades de luz central de los micro-LED con revestimiento HRTF se reducen del 92 al 63%, el ángulo de pico aumenta de 15 ° a 37,5 ° y el FWHM se mejora de 135 ° a 165 ° .

Los resultados de los experimentos de evaluación muestran que los micro-LED con revestimiento HRTF tienen bajas tasas de variación de voltaje, bajas pérdidas ópticas y una gran distribución de luz de ángulo completo de 165 °. Los micro-LED de ángulo completo se fabrican teniendo en cuenta la eficiencia lumínica general y, al mismo tiempo, mantienen las características fotoeléctricas de los micro-LED desnudos; estos micro-LED ofrecen ventajas cuando se aplican a pantallas o módulos de fuente de luz plana que requieren amplios ángulos de visión.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este artículo están disponibles en el artículo.

Abreviaturas

micro-LED:

Micro diodos emisores de luz

FWHM:

Ancho completo a la mitad del máximo

TV:

Televisión

LCD:

Pantallas de cristal líquido

OLED:

Diodos emisores de luz orgánicos

SCMS:

Metasuperficies de supercélulas

TITO:

Óxido de titanio-indio-estaño

NIR-LED:

Diodos emisores de luz de infrarrojo cercano

LED de CSP:

Paquete de escala de chip:diodo emisor de luz

PSS:

Sustrato de zafiro estampado

NPSS:

Sustrato de zafiro con patrón nano

L _c :

Longitud de los micro-LED

W _c :

Ancho de los micro-LED

H _c :

Altura de los micro-LED

I _pico :

Intensidad del ángulo de pico

I _C :

Intensidad de luz central

HRTF:

Película fina altamente reflectante

MQW:

Pozo cuántico múltiple

H :

Material de alto índice de refracción

L :

Material de bajo índice de refracción

k :

Coeficiente de extinción

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

L – I – V:

Luminancia-corriente-voltaje

IV:

Corriente versus voltaje

Presentación de la estructura atómica y electrónica de las nanofibras de carbono de copa apilada El diseño de la capa de emisión para multiplicadores de electrones