Optimisation des couches minces hautement réfléchissantes pour les micro-LED plein angle

Introduction

Les écrans sont devenus un élément indispensable de la vie humaine, y compris les smartphones, les écrans d'ordinateur, la télévision (TV) et les écrans publicitaires commerciaux, qui sont quelques exemples des technologies d'affichage les plus utilisées. Les technologies d'affichage grand public actuelles comprennent les écrans à cristaux liquides (LCD), les diodes électroluminescentes organiques (OLED) et les diodes électroluminescentes de petite taille (micro-LED) [1,2,3]. Les écrans LCD présentent des avantages tels qu'une longue durée de vie, un prix bas et une technologie mature [4,5,6] ; Cependant, les rendements lumineux globaux des écrans LCD à rétroéclairage direct de grande taille sont encore faibles et leur structure est complexe, ce qui rend difficile la réduction de l'épaisseur globale [7,8,9].

Les OLED présentent les avantages de l'auto-luminescence lorsqu'ils sont appliqués aux écrans, de petite taille, d'une grande flexibilité, d'un contraste élevé et d'une large gamme de couleurs [10,11,12] ; Cependant, pour résoudre le problème de la mauvaise pureté des couleurs causée par le mélange des sous-pixels rouges, verts et bleus lors de l'émission de lumière, il est nécessaire d'utiliser des masques métalliques complexes et fins, qui limitent également la résolution et la luminosité des écrans OLED. comme réduire leur durée de vie globale en raison des caractéristiques des matériaux organiques internes [13,14,15].

Les micro-LED présentent les avantages d'une luminosité élevée, d'une longue durée de vie et d'un rendement élevé, en plus des avantages des écrans LCD et OLED [16,17,18]. Les écrans micro-LED sont auto-lumineux et utilisent des puces micro-LED extrêmement petites comme sources lumineuses ponctuelles, offrant ainsi les avantages d'une efficacité lumineuse élevée, d'une longue durée de vie, d'une pureté des couleurs élevée, d'un contraste élevé et d'une stabilité chimique élevée [19,20,21]; cependant, de tels écrans présentent encore des défis, tels que le rétrécissement de la taille des micro-LED et une précision de substrat relativement élevée de l'équipement, provoquant ainsi des problèmes avec la technologie de transfert d'un grand nombre de micro-LED [22,23,24].

En plus des difficultés liées au processus de fabrication, lors de l'utilisation de micro-LED comme sources lumineuses, les motifs de champ lumineux affichés ont des caractéristiques lambertiennes, ce qui pose des problèmes tels que des angles de vision limités lorsqu'ils sont appliqués à des affichages publicitaires commerciaux [25]. Ainsi, l'augmentation des angles d'émission de lumière des micro-LED augmente non seulement les angles de vision des écrans, mais réduit également leur nombre et leur épaisseur lorsqu'ils sont utilisés comme rétroéclairage des écrans LCD. Jusqu'à présent, il y a encore un manque de recherche sur l'optimisation des angles d'émission de lumière des micro-LED, donc l'amélioration de ce domaine d'étude devrait être bénéfique [26,27,28]. Ces dernières années, des chercheurs ont proposé des conceptions optiques pour optimiser les angles d'émission de lumière. Spägele et al. les métasurfaces supercellulaires proposées (SCMS) qui utilisent le couplage entre des atomes adjacents dans la supercellule pour obtenir des effets grand angle ; Estakhri et al. a proposé la conception d'une métasurface à gradient de lumière visible rétro-réfléchie hautement efficace composée de nanofils de TiOx pour obtenir de grands angles ; Deng et al. ont proposé des nano-réseaux métalliques minces avec des rainures rectangulaires pour construire des métasurfaces afin d'augmenter les angles de sortie de la lumière [29,30,31]. Qiu et al. proposé des structures nanomesh Au avec des ouvertures désordonnées à double taille comme nouveau type de film conducteur transparent pour obtenir de larges angles de vision ; Liu et al. proposé d'utiliser le graphène comme film conducteur transparent en raison de ses avantages d'anisotropie optique et de transmission lumineuse élevée dans les zones incidentes à grand angle ; de plus, pour les LED infrarouges, Lee et al. ont étudié le développement de couches minces d'oxyde de titane-indium-étain (TITO) pour les diodes électroluminescentes proche infrarouge (NIR-LED) à basse température en insérant des barrières Ti de 2 nm d'épaisseur entre les couches supérieures des NIR-LED et ITO pour obtenir des effets grand angle [32,33,34].

Des recherches liées à la modulation des distributions lumineuses à l'aide d'éléments optiques secondaires ont également été rapportées. Run et al. conçu une nouvelle lentille de surface de forme libre dont la surface intérieure est un cylindre et la surface extérieure est une surface de forme libre pour optimiser les angles d'émission de lumière ; Lin et al. ont proposé un réseau de lentilles de forme libre distribué par candela cartésienne pour optimiser la disposition du réseau de lentilles LED pour obtenir de grands angles [35, 36]. En outre, les recherches sur la modulation de la forme de la lumière pour les diodes électroluminescentes (LED CSP) à puce à l'échelle incluent la modification des structures d'emballage traditionnelles et l'optimisation de la distribution de la lumière pour les sources lumineuses plates [37, 38].

Plusieurs chercheurs ont également envisagé diverses conceptions de substrats LED pour modifier les modèles de champ lumineux. Lai et al. utilisé un processus de gravure humide à l'acide sulfurique pour former un motif pyramidal triangulaire sur des substrats de saphir à plan c afin d'obtenir des efficacités d'extraction de lumière plus élevées et d'augmenter les angles de lumière ; Lan et al. a proposé un substrat en saphir à motifs (PSS) combiné à des micro-LED à puces trapézoïdales inversées emballées qui présentent des pics forts et de grands angles de lumière ; Zhang et al. ont étudié des LED à ultraviolets profonds flip-chip avec des structures de substrat de saphir à nano-motif (NPSS) pour montrer que la structure NPSS peut atteindre de grands angles et améliorer l'efficacité d'extraction de la lumière [39, 40, 41]. Des composants optiques ont également été ajoutés aux modules optiques pour moduler les distributions lumineuses. Wang et al. a proposé un module de rétroéclairage compact haute direction combiné à un réflecteur diffus à rayures pour diffuser la lumière à travers une plaque de guidage de lumière compacte et réaliser de grands angles de vision ; Li et al. a conçu une lame quart d'onde d'un retardateur multi-torsion pour obtenir des effets d'aberration achromatique et des angles de vision larges [42, 43].

Pour obtenir un grand angle de vue, l'écran LCD doit être conçu et correspondre à un rétroéclairage grand angle et à un matériau à cristaux liquides. Dans ce processus, il y a des problèmes de fuite de lumière latérale et de changement de couleur. Avec trois groupes de rétroéclairages directionnels et un panneau LCD à commutation rapide, un affichage de champ lumineux multiplexé dans le temps avec un angle de vision large de 120 degrés est démontré [44].

Ainsi, les recherches antérieures sur l'amélioration des angles d'émission de lumière manquent d'études pertinentes sur la conception de films optiques sur des puces micro-LED pour augmenter les angles d'émission de lumière. Comme les tailles des micro-LED ont été considérablement réduites ces derniers temps, il est impossible d'ajuster les types de champs lumineux à l'aide de lentilles optiques secondaires comme dans les LED traditionnelles. Des études antérieures ont également proposé d'ajuster les types de champs lumineux avec des films métalliques; les métaux ont une excellente réflectivité à différents angles, mais les matériaux ont des coefficients d'absorption de la lumière élevés qui réduisent l'efficacité du rendement lumineux. La réflectivité des matériaux diélectriques à différents angles n'est pas relativement meilleure que celle des métaux, mais les matériaux eux-mêmes ont de faibles coefficients d'absorption de la lumière. Cet article propose une conception optique primaire pour les films diélectriques et métalliques afin d'obtenir des films minces à faible absorption et à haute réflectivité déposés sur les surfaces des micro-LED et d'obtenir une distribution lumineuse à angle complet tout en tenant compte des rendements lumineux et de la lumière à angle complet. émissions des micro-LED. Les micro-LED grand angle offrent des avantages lorsqu'elles sont appliquées à des écrans publicitaires commerciaux ou à des modules de source lumineuse plane qui nécessitent des angles de vision larges.

Matériaux et méthodes

Tailles des puces micro-LED et types de champs lumineux

Les dimensions des micro-LED utilisées dans cette étude en fonction de la longueur L _c , largeur W _c , et la hauteur H _c sont respectivement de 150 µm, 85 µm et 85 µm. La courbe de distribution de la lumière de la puce nue est illustrée à la Fig. 1. L'intensité du point central dans la direction normale I _C est de 92 %, l'angle de crête I _pic est de 15°, et la méthode de calcul de l'intensité du point central est exprimée par l'Eq. (1). D'après la courbe de distribution de la lumière, on voit que les micro-LED ont des types de lumière lambertiennes similaires, avec une pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de 135 ° ; par conséquent, l'augmentation des angles d'émission de lumière pour obtenir une luminescence à angle complet sans la lentille optique secondaire est l'objectif principal de la recherche dans ce travail.

Courbe de distribution de la lumière des puces micro-LED

Parmi les paramètres susmentionnés, une faible intensité lumineuse centrale et un angle lumineux de pointe accru contribuent à améliorer l'uniformité et l'angle de vision [45]. Cette étude présente la conception d'une couche de film mince hautement réfléchissant (HRTF) sur la surface de la puce micro-LED, qui comprend un film diélectrique en TiO₂ /SiO₂ matériaux diélectriques empilés et un film métallique en Al. La structure des micro-LED et le trajet de la lumière à travers elles sont illustrés à la Fig. 2. La lumière sort par la couche à puits quantiques multiples (MQW) et est partiellement réfléchie par le HRTF. Ensuite, la lumière sort de la paroi latérale de l'Al₂ O₃ couche, avec un angle de sortie de lumière accru des micro-LED pour réaliser une sortie de lumière à angle complet.

Le trajet de la lumière dans les micro-LED grand angle avec revêtement HRTF

Matériaux du HRTF

Le choix des matériaux utilisés dans le film optique est crucial pour obtenir les caractéristiques souhaitées. Premièrement, le matériau doit avoir un faible coefficient d'extinction dans la bande de longueur d'onde requise pour éviter de réduire l'efficacité d'extraction de la lumière en raison d'une absorption importante ; ensuite, l'adhérence du matériau, les stabilités physique et chimique et la transmission de la lumière doivent être prises en compte. Le matériau diélectrique TiO₂ /SiO₂ a d'excellentes caractéristiques pour ces propriétés dans la bande de lumière visible. Al a un coefficient d'extinction relativement élevé, mais sa réflectivité ne peut pas être facilement diminuée avec des angles d'incidence croissants; cependant, il peut résister à des intensités lumineuses élevées. Sur la base des caractéristiques ci-dessus, le matériau à indice de réfraction élevé (H ) TiO₂ et matériau à faible indice de réfraction (L ) SiO₂ sont utilisés pour le film diélectrique, et Al est utilisé pour le film métallique, avec Al₂ O₃ comme substrat pour la conception optique à couche mince. Les indices de réfraction des matériaux utilisés dans cette étude sont présentés dans le tableau 1 à la longueur d'onde dominante de 460 nm.

Optimisation de la conception HRTF

Le substrat utilisé pour la surface électroluminescente des micro-LED est l'Al₂ O₃ . Nous avons conçu le HRTF sur le substrat et utilisé les films diélectriques et métalliques pour améliorer la réflectivité tout en maintenant une efficacité lumineuse élevée. L'objectif ici était d'atteindre une réflectance > 90 % à la longueur d'onde dominante de 460 nm. Le principe derrière la conception du HRTF est d'utiliser les caractéristiques d'interférence destructrices et constructives de la lumière pour améliorer la réflectivité. Une interférence lumineuse maximale dans le support de film se produit lorsque l'épaisseur optique est 1/4 de la longueur d'onde, et la réflectivité de l'interface R à ce moment est calculée selon l'Eq. (2) [46].

Ici, P est le nombre de TiO₂ –SiO₂ périodes,\({ }n_{{\text{s}}}\) est l'indice de réfraction du substrat, \(n_{1}\) est l'indice de réfraction de TiO₂ , \(n_{2}\) est l'indice de réfraction de SiO₂ , et \(n_{{{\text{air}}}}\) est l'indice de réfraction du milieu aérien. L'épaisseur optique de transmission est 1/4 de la longueur d'onde; d'où les épaisseurs physiques de Al, TiO₂ , et SiO₂ sont respectivement de 20 nm, 47,78 nm et 78,50 nm. Cette étude utilise le logiciel de simulation optique Macleod pour simuler quatre structures à couche mince pour Al pur, Al/(HL), Al/(HL) ² , et Al/(HL) ³ .

La figure 3 montre la relation entre la longueur d'onde et la réflectance d'Al pur, Al/(HL), (HL) ² , Al/(HL) ² , et Al/(HL) ³ des cinq structures d'empilement de membranes dans la gamme de longueurs d'onde simulées de 400 à 500 nm. La réflectivité de l'Al pur, Al/(HL), (HL) ² , Al/(HL) ² , et Al/(HL) ³ à 460 nm est de 85,53 %, 86,15 %, 71,84 %, 90,23 % et 93,04 %, respectivement.

Réflectance d'Al pur, Al/(HL), (HL) ² , Al/(HL) ² , et Al/(HL) ³ a été simulé à des longueurs d'onde de 400 à 500 nm

Le tableau 2 montre les rapports de réflectance, de transmission et d'absorption des cinq types de structures d'empilement de membranes, à savoir Al pur, Al/(HL), (HL) ² , Al/(HL) ² , et Al/(HL) ³ . Le taux de transmission de l'aluminium pur à 460 nm est de 5 % et le taux d'absorption est de 9,47 %, ce qui est le taux d'absorption le plus élevé parmi les cinq types d'empilements de membranes. La transmittance du (HL) ² l'empilement de membranes à 460 nm est de 28,06 % et le taux d'absorption est de 0,1 % ; ce taux d'absorption affecte directement le rendement global d'extraction de la lumière ; en outre, cette structure d'empilement de membranes a le taux d'absorption le plus faible et sa réflectivité n'est que de 71,84 %. L'Al/(HL) ² l'empilement de membranes a une transmittance de 4,38 % à 460 nm et un taux d'absorption de 5,39 % ; cette structure d'empilement de membranes prend en compte l'efficacité globale d'extraction de la lumière et la distribution lumineuse à angle complet. Considérant à la fois le flux radiant et l'efficacité globale d'extraction de la lumière, l'Al/(HL) ² La structure d'empilement de membranes a été utilisée dans cette étude pour le revêtement HRTF.

La figure 4 montre la simulation Al/(HL) ² et (HL) ² ainsi que leurs graphiques de réflectance et de transmittance correspondants pour 400-500 nm. La réflectance et la transmittance moyennes de Al/(HL) ² sont de 89,6 % et 4,54 %, et la réflectance et la transmission moyennes de (HL) ² sont respectivement de 70,3 % et 29,56 %. Les résultats de la simulation montrent que l'ajout de la fine couche d'aluminium augmente la réflectivité d'un facteur 1,27.

Rapports de réflectance et de transmittance des structures à couche mince simulées de Al/(HL) ² et (HL) ² pour des longueurs d'onde comprises entre 400 et 500 nm

La figure 5 illustre les changements dans (a) la transmittance et la réflectance de Al/(HL) ² à différents angles d'incidence ; de 0° à 60°, la réflectance moyenne est de 87,7 % et la transmittance moyenne est de 6,97 %. Figure 5b. La transmittance et la réflectance de (HL) ² à différents angles d'incidence ; de 0° à 60°, la réflectance moyenne est de 68,99 % et la transmittance moyenne est de 30,88 %. Dans la conception de film réfléchissant plein angle, Al/(HL) ² On peut voir d'après les résultats de la simulation que l'ajout de la fine couche d'aluminium augmente l'angle complet de réflectance moyenne d'un facteur de 1,27.

Modifications du rapport de réflectance et de transmission du a simulé Al/(HL) ² pour des angles d'incidence de 0 à 90° et b (HL) ² pour des angles d'incidence de 0 à 90°

La figure 6 montre le diagramme 3D longueur d'onde/angle d'incidence/réflectivité simulé de Al/(HL) ² pour des angles d'incidence de 0 à 25 ° et une réflectivité moyenne supérieure à 90 % dans la plage de longueurs d'onde de 440 à 480 nm.

Diagramme de relation 3D des longueurs d'onde simulées, des angles d'incidence et de la réflectivité de Al/(HL) ²

Résultats et discussion

La figure 7 montre les images au microscope électronique à balayage (MEB) du revêtement HRTF de la puce micro-LED. La longueur de puce L_c est de 240 µm, largeur W_c est de 140 µm et la hauteur H_c est de 100 µm. La figure 8a montre la vue de dessus et la figure 8b montre la vue de dessous.

Images SEM de la puce micro-LED :a haut et b vues de dessous

Image SEM transversale du HRTF

La figure 8 montre l'image SEM en coupe transversale de la puce micro-LED avec revêtement HRTF. La pile de films prototypes HRTF comprend une épaisseur de film Al de 20,6 nm, TiO₂ épaisseurs de film diélectrique de 46,3 nm et 46,2 nm, et SiO₂ épaisseurs de film diélectrique de 77,5 nm et 77,1 nm.

La figure 9 montre la courbe luminance-courant-tension (L-I-V) mesurée. Sous un courant d'entrée de 30 mA, les résultats montrent que sans le revêtement HRTF, le flux de rayonnement de sortie, la tension et l'efficacité quantique externe (EQE) sont respectivement de 33,833 mW, 3,293 V et 41,84 %. La tension, la puissance de sortie et l'EQE du revêtement HRTF sont respectivement de 3,301 V, 32 757 mW et 40,51 %. Les résultats montrent que le revêtement HRTF affecte à peine les caractéristiques de la courbe courant/tension (IV) des micro-LED. L'EQE du revêtement HRTF est de 3,178% pourriture.

Caractéristiques photoélectriques des micro-LED sans et avec revêtement HRTF

Lorsque le courant d'entrée augmente jusqu'à 50 mA, cette tension et cette puissance de sortie augmentent respectivement à 3,5 V et 48,165 mW, et le flux radiant n'est que d'environ 3,3 % inférieur à celui des micro-LED sans revêtement HRTF. Cela montre que les micro-LED avec des revêtements HRTF ont de faibles taux de variation de tension et de faibles caractéristiques de pertes optiques.

La figure 10 montre les caractéristiques de dérive de la longueur d'onde dominante du courant pour les micro-LED avec des revêtements de pile HRTF. La ligne orange représente les micro-LED nues et la ligne bleue représente les micro-LED avec revêtement HRTF. Lorsque le courant passe de 2 à 30 mA, la longueur d'onde de crête passe de 465,47 à 460,01 nm, indiquant que les micro-LED recouvertes de l'empilement d'Al/(HL) ² les membranes ne montrent qu'un changement de 5,46 nm pour la longueur d'onde dominante du courant ; par conséquent, ces résultats montrent que les propriétés photoélectriques des micro-LED nues d'origine sont conservées.

Modifications des courbes caractéristiques de longueur d'onde dominante des micro-LED avec et sans Al/(HL) ² revêtement de pile de film

La figure 11 montre les courbes caractéristiques de la température en fonction de la longueur d'onde de crête. La ligne orange représente les micro-LED nues et la ligne bleue les micro-LED avec revêtement HRTF. Lorsque la température augmente de 25 à 105 °C, la longueur d'onde maximale est décalée vers le rouge de 460,09 à 462,45 nm ; ces deux courbes montrent que les caractéristiques photoélectriques d'origine sont toujours conservées après le revêtement HRTF. Le décalage de longueur d'onde dominant n'est que de 2,36 nm.

Courbes caractéristiques des longueurs d'onde de crête pour les micro-LED avec et sans Al/(HL) ² revêtements de pile de films basés sur les variations de température

Le test de stabilité à long terme du HRTF est illustré à la Fig. 12. La température ambiante du test est de 25 ℃ et le courant d'entraînement est de 30 mA. A 1000 h, le flux radiant peut être maintenu à 98,5 %.

Le test de stabilité à long terme du HRTF

La figure 13 montre les courbes de distribution lumineuse des micro-LED nues et à revêtement HRTF. La ligne noire représente le motif du champ lumineux des micro-LED nues, dont la FWHM est de 135°, l'intensité lumineuse centrale est de 92 % et l'angle de crête est de 15°. La ligne rouge représente la répartition lumineuse des micro-LED avec revêtement HRTF, dont la FWHM est augmentée à 165°, l'intensité lumineuse centrale est réduite à 63% et l'angle de crête est augmenté à 37,5°.

Courbes de répartition lumineuse des micro-LED nues et revêtues de HRTF

La figure 14 montre le diagramme des distributions lumineuses des micro-LED (a) nues et revêtues de HRTF. La figure 14b montre que la distribution lumineuse des micro-LED avec revêtement HRTF présente des angles plus larges et une distribution plus uniforme.

Schéma des distributions lumineuses de a nu et b Micro-LED à revêtement HRTF

L'aberration chromatique entre les différentes zones du HRTF sous la forme d'un grand écran d'affichage grand angle est illustrée à la figure 15.

Relation de réflectance de différentes longueurs d'onde correspondant à HRTF

Cet article est basé sur la plage de longueurs d'onde de 440 à 460 nm pour optimiser la conception du HRTF. S'il est appliqué à la couleur à l'avenir, l'épaisseur du film d'aluminium sera augmentée à 50 nm ou plus, et l'uniformité des couleurs sera meilleure à la longueur d'onde globale (400-780 nm).

Conclusions

Nous proposons la conception d'un revêtement HRTF sur les surfaces des micro-LED pour augmenter leurs angles de distribution de lumière afin d'obtenir des angles de vision complets. Nous utilisons une conception optique primaire pour moduler les formes lumineuses des micro-LED sans éléments optiques secondaires. La structure de la pile de films HRTF est optimisée à l'aide d'Al/(HL) ² pour obtenir une réflexion élevée et une faible absorption. Les mesures sur des prototypes de micro-LED fabriquées montrent que la courbe L-I-V n'a presque aucun impact sur les caractéristiques I-V des micro-LED sous un courant d'entrée de 30 mA avec le revêtement HRTF, et le flux de rayonnement n'est que de 3,3 % inférieur à celui des micro-LED nues. En termes d'angles d'émission de lumière, les intensités lumineuses centrales des micro-LED avec revêtement HRTF sont réduites de 92 à 63%, l'angle de crête augmente de 15° à 37,5° et le FWHM est amélioré de 135° à 165° .

Les résultats des expériences d'évaluation montrent que les micro-LED avec revêtement HRTF ont de faibles taux de variation de tension, de faibles pertes optiques et une large distribution de lumière à angle complet de 165°. Les micro-LED grand angle sont fabriquées en tenant compte de l'efficacité lumineuse globale tout en conservant les caractéristiques photoélectriques des micro-LED nues ; ces micro-LED offrent des avantages lorsqu'elles sont appliquées à des écrans ou à des modules de source lumineuse plane qui nécessitent des angles de vision larges.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données soutenant les conclusions de cet article sont disponibles dans l'article.

Abréviations

micro-LED :

Microdiodes électroluminescentes

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

TV :

Télévision

LCD :

Écrans à cristaux liquides

OLED :

Diodes électroluminescentes organiques

SCMS :

Métasurfaces supercellulaires

TITO :

Oxyde de titane-indium-étain

LED NIR :

Diodes électroluminescentes proche infrarouge

LED CSP :

Paquet d'échelle de puce-diode électroluminescente

PSS :

Substrat saphir à motifs

NPSS :

Substrat saphir à motifs nano

L _c :

Longueur des micro-LED

W _c :

Largeur des micro-LED

H _c :

Hauteur des micro-LED

Je _pic :

Intensité angulaire maximale

Je _C :

Intensité lumineuse centrale

HRTF :

Film mince hautement réfléchissant

MQW :

Puits quantique multiple

H :

Matériau à indice de réfraction élevé

L :

Matériau à faible indice de réfraction

k :

Coefficient d'extinction

SEM :

Microscope électronique à balayage

L–I–V :

Luminance-courant-tension

IV :

Courant par rapport à la tension