适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构及其制作方法技术

本发明专利技术提出一种适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构及其制作方法，由NanoLED发光阵列和梯度折射率膜构成，NanoLED发光阵列由垂直生长在衬底上的相同或不同直径的多个InGaN/GaN纳米柱LED单体组成，并且每个纳米柱LED单体为NanoLED发光阵列的一个显示像素或子像素。纳米柱LED单体多量子阱层辐射出的光束从顶部截面垂直出射，而部分出非垂直方向出射的光束通过覆盖在纳米柱LED单体侧壁外部的梯度折射率膜聚合，其中梯度折射率膜的折射率沿轴心径向增大，可使聚合后的光束趋向于垂直方向出射，进而提高NanoLED发光阵列的出光效率，当不同直径的纳米柱LED单体构成彩色化NanoLED发光阵列时还能有效降低像素间串扰。NanoLED发光阵列时还能有效降低像素间串扰。NanoLED发光阵列时还能有效降低像素间串扰。

【技术实现步骤摘要】
适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构及其制作方法


[0001]本专利技术属于半导体发光器件、纳米LED
，尤其涉及一种适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构及其制作方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着LED技术和微型集成电路技术的出现，使得微型化和高分辨率的投影显示成为可能。而随着投影显示技术的不断发展以及市场需求，大视场、高成像质量、小体积、可穿戴的微型投影光引擎越来越受到重视，尤其是在现如今发展火热的近眼显示（Near
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eyedisplay，简称NED）以及可穿戴等领域。因此人们对于作为近眼显示设备的光源的LED要求越来越高，特别是高光效、低功率的LED受到了人们的青睐。但目前基于诸如LCOS、LCD、DMD或OLED等等各种投影技术的近眼显示设备，依然存在很多不足之处，例如光源亮度低、功耗高、尺寸大、结构复杂等等，这很大地限制了其面向消费领域的发展。
[0003]而随着纳米结构发光二极管（以下简称NanoLED）显示技术的出现，使得近眼显示设备的微型化成为可能。首先，NanoLED显示技术是将传统LED微缩化后形成微米级甚至亚微米级间距LED阵列以达到超高密度像素分辨率，NanoLED阵列中每个LED像素都能自发光，通过对每个LED发光强度的精确控制，进而实现图像显示。其次，NanoLED除了能达到高亮度、超高分辨率与色彩饱和、发光效率高的特点外，更重要的是不会受受水汽、氧气或高温的影响，因而NanoLED在稳定性、使用寿命、工作温度等方面具有明显的优势。同时NanoLED作为近眼显示设备的光源，能进一步简化光机结构，减轻光机的重量，使近眼显示设备同时具有舒适性和沉浸性的体验。
[0004]但目前NanoLED应用于近眼显示设备上仍然面临诸多挑战，首先NanoLED的制备工艺复杂，精度要求比较高。其次在单片衬底上集成多色LED阵列有严重的像素间串扰，彩色化的NanoLED发光芯片的成像质量有待提高。最重要的是，由于NanoLED的纳米结构位错密度较低，发光效率还有待提高。
[0005]为了实现高光效、低功耗的纳米发光二极管应用于近眼显示设备，需要在发光效率及降低像素间串扰方面对纳米发光二极管结构进行优化改进。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，为了填补现有技术的空白，本专利技术的目的在于提供一种适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构及其制作方法，以提高NanoLED发光阵列的发光效率，同时有效降低纳米柱LED阵列像素间串扰，使近眼显示设备拥有低功率、高效率的光源和更高质量的图像。
[0007]其提供的NanoLED结构由NanoLED发光阵列和梯度折射率膜构成，NanoLED发光阵列由垂直生长在衬底上的相同或不同直径的多个InGaN/GaN纳米柱LED单体组成，并且每个纳米柱LED单体为NanoLED发光阵列的一个显示像素或子像素。纳米柱LED单体多量子阱层辐射出的光束从顶部截面垂直出射，而部分出非垂直方向出射的光束通过覆盖在纳米柱
LED单体侧壁外部的梯度折射率膜聚合，其中梯度折射率膜的折射率沿轴心径向增大，可使聚合后的光束趋向于垂直方向出射，进而提高NanoLED发光阵列的出光效率，当不同直径的纳米柱LED单体构成彩色化NanoLED发光阵列时还能有效降低像素间串扰。本专利技术NanoLED结构作为光学元件可为近眼显示设备提供更高光效、更低功率光源和更高质量的图像。
[0008]基于以上研究和设计，本专利技术具体采用以下技术方案：一种适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构，其特征在于：为NanoLED发光阵列，由集成在衬底上的多个InGaN/GaN纳米柱LED组成，每个所述纳米柱LED单独驱动并发射光束；梯度折射率膜覆盖在每个纳米柱单体的侧壁外部，用于将纳米柱LED非垂直方向的出射光聚合并沿垂直方向出射。
[0009]进一步地，所述纳米柱单体在衬底上生长形成，直径为50nm
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600nm，梯度折射率膜厚度为50nm
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600nm，包覆梯度折射率膜后的直径为100nm
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800nm，两相邻像素的中心间距为500nm
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900nm，相邻InGaN/GaN纳米柱LED单体的梯度折射率膜最外层膜层间的空隙间距为100nm
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200nm。
[0010]进一步地，所述纳米柱单体的结构由衬底往上依次为：25nm
‑
50nm的GaN缓冲层，30μm
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60μm的n型GaN层，80μm
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120μm的多周期多量子阱层，以及200nm
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500nm的p型GaN层；各纳米柱LED的n型GaN层相互连接，p型GaN层顶部通过ITO透明薄膜相互连接。
[0011]一般要求InGaN/GaN纳米柱LED材料物质密度分布均匀，以形成稳定发射的光束。该InGaN/GaN纳米柱LED单体多量子阱层自发辐射出沿各向传播的光束，多量子阱层辐射出的一部分光束从该柱状结构的顶部截面出射，出射光方向垂直于衬底，且每个纳米柱LED单体相当于一个显示像素或子像素，另一部分光束由纳米柱侧面出射，该部分光束将入射并被纳米柱外围的梯度折射率膜调控。
[0012]进一步地，所述纳米柱单体在衬底上均匀排列形成纳米柱阵列，且所述纳米柱单体发射出的光束波长与纳米柱单体直径成反比关系；所述纳米柱阵列由相同或者不同直径的纳米柱单体组成，发射同种或者不同种可见光范围内波长的光束，以形成单色或者彩色化的NanoLED发光阵列。
[0013]进一步地，所述梯度折射率膜的结构为溶胶
‑
凝胶工艺制备的SiO2‑
金属氧化物玻璃，各层薄膜具有梯度变化的折射率；在最外层附着有加入发泡剂的树脂薄膜构成的隔离层，且隔离层内具有气泡结构用于反射透过梯度折射率膜层光束，以防止纳米柱像素间串扰。
[0014]进一步地，所述梯度折射率膜的各层薄膜具有浓度梯度分布的金属氧化物，各层薄膜的金属氧化物浓度由轴心径向增加，以使薄膜结构形成沿轴心径向增大的折射率分布。
[0015]使梯度折射率膜改变所述InGaN/GaN纳米柱单体多量子阱层的光辐射方向，并产生趋向于垂直于衬底方向的光束出射；并且InGaN/GaN纳米柱单体多量子阱层光子辐射产生非垂直衬底方向的光束的最大偏转角度至多为90度。
[0016]进一步地，将所述梯度折射率膜朝LED侧的第一膜层的折射率定义为N1，沿纳米柱LED的轴心向外，第二膜层折射率定义为N2，
……
最外层膜层折射率定义为Nn；其中所述梯度折射率膜的各膜层折射率变化由以下公式表述：N(r)=N1[(1
‑
A/2)r^2]，其中所述公式中N(r)表示不同膜层的折射率，A表示梯度折射率膜的折射率分布常数，r表示梯度折射率膜
的直径，折射率分布常数A为一经验值，与梯度折射率膜所要聚合的光束最大角度有关。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构，其特征在于：为NanoLED发光阵列，由集成在衬底上的多个InGaN/GaN纳米柱LED组成，每个所述纳米柱LED单独驱动并发射光束；梯度折射率膜覆盖在每个纳米柱单体的侧壁外部，用于将纳米柱LED非垂直方向的出射光聚合并沿垂直方向出射。2.根据权利要求1所述的适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构，其特征在于：所述纳米柱单体在衬底上生长形成，直径为50nm
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600nm，包覆梯度折射率膜后的直径为100nm
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800nm，两相邻像素的中心间距为500nm
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900nm，相邻InGaN/GaN纳米柱LED单体的梯度折射率膜最外层膜层间的空隙间距为100nm
‑
200nm。3.根据权利要求1所述的适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构，其特征在于：所述纳米柱单体的结构由衬底往上依次为：25nm
‑
50nm的GaN缓冲层，30μm
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60μm的n型GaN层，80μm
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120μm的多周期多量子阱层，以及200nm
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500nm的p型GaN层；各纳米柱LED的n型GaN层相互连接，p型GaN层顶部通过ITO透明薄膜相互连接。4.根据权利要求1所述的适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构，其特征在于：所述梯度折射率膜的结构为溶胶
‑
凝胶工艺制备的SiO2‑
金属氧化物玻璃，各层薄膜具有梯度变化的折射率；在最外层附着有加入发泡剂的树脂薄膜构成的隔离层，且隔离层内具有气泡结构用于反射透过梯度折射率膜层光束，以防止纳米柱像素间串扰。5.根据权利要求4所述的适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构，其特征在于：所述梯度折射率膜的各层薄膜具有浓度梯度分布的金属氧化物，各层薄膜的金属氧化物浓度由轴心径向增加，以使薄膜结构形成沿轴心径向增大的折射率分布。6.根据权利要求4所述的适用于近眼显示设备的高效率NanoLED结构，其特征在于：将所述梯度折射率膜朝LED侧的第一膜层的折射率定义为N1，沿纳米柱LED的轴心向外，第二膜层折射率定义为N2，
……
最外层膜层折射率定义为Nn；其中所述梯度折射...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈恩果，黎垚，郭太良，叶芸，徐胜，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：