微型LED器件的增强颜色转换和准直的制作方法

本公开涉及发光二极管(light emitting diode，led)和led阵列领域。

背景技术：

1、微型led阵列通常被定义为尺寸为100×100μm2或更小的led阵列。微型led阵列是一种自发光微型显示器或投影仪，适用于各种设备，如智能手表、头戴式显示器、平视显示器、摄像机、取景器、多点激励源和微微型投影仪。

2、在许多应用中，通过使用能够发射具有一定波长范围的光的微型led阵列来提供彩色显示器或投影仪是有用的。例如，彩色显示器可以包括在公共基板上具有多个像素的微型led阵列，其中每个像素可以输出不同颜色的光的组合。例如，像素可以输出红光、绿光和蓝光的组合。这通常通过两种方法中的一种来实现，这两种方法都使用包括多个子像素的像素，每个子像素发射不同颜色的光。在一种方法中，每个子像素可以包括被配置为发射不同波长的光的微型led。在另一种方法中，每个子像素中的微型led可以发射相同波长的光，并且可以提供有颜色转换材料。颜色转换材料可以将较高能量的光(泵浦光)转换为较低能量的光(转换光)，从而改变子像素发射的光的颜色。颜色转换材料的例子是磷光体和量子点。

3、与使用颜色转换材料相关的挑战是有效地将光从泵浦波长转换为转换光的波长。例如，颜色转换材料可以吸收一些转换光，从而降低效率。另一个挑战是仅从设备提取转换光，因为颜色转换材料可能太薄而无法将所有泵浦光转换为转换光。如果任何泵浦光从微型led泄漏，微型led的颜色纯度会降低。

4、为了通过减少泵浦光泄漏来实现良好的颜色饱和度，常用的方法使用滤光器将泵浦光反射回微型led以回收泵浦光，或者使用高带通滤光器来吸收泵浦光。这种滤光器的一个示例是分布式布拉格反射器，其反射泵浦光并透射转换光。在“optical cross-talkreduction in aquantum dot-based full-colour micro-light-emitting-diodedisplay by a lithographic-fabricated photoresist mold”(photonics 25research，第5卷，第5期，2017年10月)中，uv微型led阵列被用作量子点(quantum dots，qd)的有效激发源。为了减少子像素之间的光学串扰，使用简单的光刻法和光阻剂来制造模具，该模具包括用于添加qd的开口和用于减少串扰的阻挡壁。在qd上提供分布式布拉格反射器(distributed bragg reflector，dbr)以反射穿过qd的uv光，从而增加qd的光发射。dbr还用于通过防止泵浦光穿过led来提高led的颜色纯度。

5、为了进一步减少泵浦光泄漏，led提供颜色转换材料的部分可以衬有被配置为吸收泵浦光的材料。在“monolithic red/green/blue micro-leds with hbr and dbrstructures”(guan syun chen等人，ieee photonics technology letters，第30卷第3期，2018年2月1日)中，将具有阻光能力的黑矩阵光阻剂旋涂到微型led上。黑矩阵光阻剂可以阻挡从包括红色或绿色量子点的蓝色微型led侧面发出的蓝光。因此，通过黑矩阵光阻剂减少了相邻led之间的蓝光串扰。然而，由于入射在每个子像素的内壁上的所有可见光都被吸收，所以转换效率显著降低。

6、还可以使用附加的滤色器，其中着色剂与阻色剂混合并用作微型led的滤色器。染料的选择可能有助于滤色器的亮度(“development of color resists containing noveldyes for liquid crystal displays”,sumitomo kagaku,vol.2013)。

7、与使用微型led相关的另一个挑战是提高微型led发射显示器与投影透镜或中继透镜的耦合效率。只有透镜接受角内的光能被使用，剩余的光会损失。微型led通常以接近具有120度全宽半最大值(full-width half maximum，fwhm)的朗伯发射(lambertianemission)的角度分布发光。透镜的接受角由其f数决定，对于典型的投影透镜，f数可能为f/2.5或f/3，接受角分别为11.3°和9.5°。朗伯微型led发出的光只有2.7％在±9.5°范围内，因此97.3％的光作为杂散光损失，并且收集光的效率非常低。

8、用于提高发射效率的一种方法是在led表面上引入随机纳米纹理，光波长比例的特征导致光的无秩序行为及提高的发射效率(applied physics letters 63,1993,pp.2174-2176)。类似地，可以将光波长顺序的周期图案或非周期图案引入至led的发射表面或内部界面，干扰效应会增加光提取(美国专利5779924a和美国专利6831302b1)。然而，粗糙化会在光线逸出之前导致多次内部反射，从而导致损失。

9、实现准直通常依赖于次级光学元件，通常由微透镜阵列组成，其中每个微透镜与单个微型led对准以准直发射的光(例如us2009115970、us2007146655和us2009050905a1)。这些微透镜必须与led阵列精确对齐。

10、将led的侧壁成形可以改进制造并增加光提取(例如，美国专利7598149b2)。蚀刻台面以形成有源层所在的抛物面台面结构，也可以准直发射的光(us2015236201 a1和us2017271557a1)。光从台面的内表面反射，并从与台面相对的发射表面离开led。这种方法有损坏有源层的风险，并且在蚀刻台面时很难获得平滑的光洁度，因此有源层的台面侧存在粗糙度，这降低了可能的准直度。

11、需要准直由微型led发射的光，从而减小fwhm并提高光收集效率。还需要进一步提高包括颜色转换材料的微型led的颜色纯度和效率。

技术实现思路

1、在此背景下，提供了：

2、一种像素，包括第一子像素，其中所述第一子像素包括：

3、led层，其包括发光材料，所述发光材料被配置为从发光表面发射泵浦光，所述泵浦光具有泵浦波长；

4、容器层，其具有容器表面，所述容器表面包括第一容器孔，所述第一容器孔限定延伸穿过所述容器层的第一容器容积；

5、第一颜色转换层，其设置在所述第一容器容积中并被配置为接收来自所述led层的所述发光表面的光，其中所述第一颜色转换材料包括第一颜色转换材料，所述第一颜色转换材料被配置为吸收所述泵浦波长的光并发射第一转换波长的第一转换光；

6、第一透镜，其设置在所述容器层上的所述第一容器孔上方，包括与所述颜色转换层相邻的内侧和外侧，其中所述外侧包括第一凸面；

7、第一反射器组件，其与所述第一透镜的外侧相邻并符合所述第一凸面，所述第一反射器组件包括：

8、第一反射器，其被配置为反射所述泵浦波长的光并透射第一转换波长的光；以及

9、第二反射器，其被配置为反射所述泵浦波长的光和所述第一转换波长的光；

10、其中所述第二反射器包括第一子像素反射器孔，并且其中所述第一反射器填充所述第一子像素反射器孔。

11、以此方式，可以通过反射未被颜色转换材料转换的任何泵浦光，使得其进入颜色转换材料并具有另一个被转换的机会来增加子像素的颜色饱和度。泵浦波长的光可以穿过颜色转换材料的次数与将光转换为转换波长的光所需的次数相同。也可以增加子像素的光学效率，因为光只可以通过反射器孔发射。以此方式，所发射的光束被准直，增加了可由光收集装置捕获的所发射的光的比例，因为在光收集装置的收集角度内的所发射光束的比例增加了。

12、所述像素可以进一步包括第二子像素，其中所述第二子象素包括：

13、led层，其包括发光材料，所述发光材料被配置为从发光表面发射泵浦光，所述泵浦光具有泵浦波长；

14、容器层，其具有容器表面，所述容器表面包括第二容器孔，所述第二容器孔限定延伸穿过所述容器层的第二容器容积；

15、第二颜色转换层，其设置在所述第二容器容积中并被配置为接收来自所述led层的发光表面的光，其中所述第二颜色转换层包括第二色转换材料，所述第二色转换材料被配置为吸收所述泵浦波长的光并发射第二转换波长的第二转换光；

16、第二透镜，其设置在所述容器层上的所述第二容器孔上方，包括与所述颜色转换层相邻的内侧和外侧，其中所述外侧包括第二凸面；

17、第二反射器组件，其与所述第二透镜的外侧相邻并符合所述第二凸面，所述第二反射器组件包括：

18、第三反射器，其被配置为反射所述泵浦波长的光并透射所述第二转换波长的光；以及

19、第四反射器，其被配置为反射所述泵浦波长和所述第二转换波长的光；

20、其中，所述第四反射器包括第二子像素反射器孔，并且其中所述第三反射器填充所述第二子像素反射器孔。

21、有利地，像素可以包括具有不同颜色转换材料的多个子像素，使得所述像素包括具有本公开的子像素的增加的颜色饱和度和光学效率的不同颜色的子像素。

22、所述像素可以进一步包括发射所述泵浦波长的光的第三子像素，其中所述第三子象素包括：

23、led层，其包括发光材料，所述发光材料被配置为从发光表面发射泵浦光，所述泵浦光具有泵浦波长；

24、容器层，其具有容器表面，所述容器表面包括第三容器孔，所述第三容器孔限定穿过所述容器层延伸的第三容器容积；

25、透镜，其设置在所述容器层上的所述第三容器孔上方，包括与所述容器层相邻的内侧和外侧，其中所述外侧包括第三凸面；

26、第三反射器组件，其与所述第三透镜的外侧相邻并符合所述第三凸面，所述第三反射器组件包括：

27、第五反射器，其被配置为反射泵浦光，其中所述第五反射器包括第三子像素反射器孔。

28、以此方式，所述像素可以包括子像素，该子像素是泵浦光的颜色并且仍然具有本公开的子像素的增加的光学效率。

29、所述第一反射器的中心轴线和所述第二反射器的中心轴线与所述凸面的中心轴线对齐。

30、有利地，准直光束因此具有平行于容器层法线的中心轴线。

31、所述第一反射器可以包括叠层结构。

32、所述第一反射器可以包括折射系数较高和较低的交替层。

33、以此方式，可以降低第一反射器对第一转换波长的光的反射率。

34、所述第一反射器可以包括多个tio2层和sio2层。

35、有利地，具有这种结构的第一反射器可以具有小于5％的第一转换波长的反射光。

36、所述第一反射器可以包括分布式布拉格反射器。

37、以此方式，第一反射器可以透射转换波长的光并反射泵浦波长的光。

38、所述第二反射器可以包括金属材料。

39、以此方式，第二反射器可以反射所有可见波长的光，使得其反射泵浦波长和第一转换波长的光。

40、所述容器容积可以包括反射性内侧壁。

41、有利地，这可以通过增加由led层的发光表面发射的经由容器孔离开容器容积的光的比例来增加子像素的光提取效率。

42、所述容器孔的面积可以至少等于所述led层的发光表面的面积。

43、所述容器容积的内侧壁相对于所述led层的发光表面的法线可以形成至少35°且不大于85°，或优选地不大于60°的角度。

44、有利地，这可以通过增加入射到内侧壁上的朝向容器孔反射的光的比例来增加子像素的光提取效率。以此方式，由led层的发光表面发射的经由容器孔离开容器容积的光的比例增加。

45、所述容器孔可以是圆形的，使得容器容积类似于截头倒圆锥体，或者所述容器孔可以是矩形的，使得容器容积类似于截头倒四角锥。

46、以此方式，容器容积可以被设计为通过具有倾斜的内侧壁并且在容器层的平面中具有例如可能与led层的发光表面相同的形状的横截面来提高光学效率。

47、所述透镜可以是半球形的。

48、有利地，由反射器中的一个在凸面反射的光可以沿着与入射路径相同或相似的路径反射，使得入射到颜色转换材料上的反射光的比例增加。以此式，随后被转换为转换波长的光的泵浦波长的反射光的比例增加。

49、透镜的凸面可以是椭圆形或抛物线形。

50、以此方式，被反射器中的一者反射的光随后可再次从反射器中的一者反射，使得其入射到颜色转换材料上。

51、所述透镜的特征尺寸可以是所述容器层的平面中的所述孔的特征尺寸的至少两倍大。

52、有利地，从容器孔的边缘发射的光在凸面上的入射角可以减小，使得如果光被反射，则其反射路径与其入射路径相似，并且入射到颜色转换材料上的反射光的比例增加。

53、所述像素还可以包括在所述led层和所述颜色转换层之间的界面处的转换光反射器叠层。

54、以此方式，通过增加容器容积中朝向容器孔反射的光的比例来增加子像素的光学效率。

55、透射通过所述第一反射器的所述转换波长的光的全宽半最大值可以小于60°，或优选地可以小于50°

56、以此方式，通过准直所发射的光束来增加子像素到光收集装置的耦合效率，从而增加在光收集装置的收集角度内的所发射光束的比例。

57、所述第一反射器对所述泵浦波长的光的反射率可以大于95％，或优选地为100％。

58、有利地，这通过减少从子像素发射的泵浦波长的光的量来增加子像素的颜色饱和度。

59、所述第一反射器对所述转换波长的光的反射率可以小于10％，或优选地小于5％。

60、有利地，这通过增加第一反射器透射的入射到第一反射器上的转换波长的光的比例来增加子像素的光学效率。

61、所述转换波长可以长于所述泵浦波长。

62、所述颜色转换材料可以包括量子点材料。

63、所述泵浦波长可以是蓝色的，并且所述第一转换波长是包括红色和绿色的颜色组中的第一颜色。

64、所述第二转换波长可以是所述颜色组中的第二颜色。

65、所述第三子像素的所述容器容积可以填充有半透明材料

66、以此方式，像素可以包括rgb(红、绿、蓝)三元组。