微型LED射束准直的制作方法

本披露内容涉及一种led阵列、一种包括单片led阵列的led器件及其制造方法。特别地，本披露内容提供了一种具有改进的光发射的led阵列。

背景技术：

1、微型发光二极管(led)阵列可以被定义为尺寸为100×100μm2或更小的led阵列。微型led阵列正在被开发以用于许多商业和军事应用，比如自发光微型显示器和投影仪，它们可以结合到各种装置(比如可穿戴显示器、平视显示器、便携式摄像机、取景器、多站点激发源和微型投影仪)中。

2、基于iii族氮化物的微型led是无机半导体led，其在有源发光区中含有gan及其与inn和aln的合金。基于iii族氮化物的微型led之所以受欢迎，是因为它们与传统的大面积led(尤其是其中发光层为有机化合物的有机发光二极管(oled))相比可以以高得多的电流密度驱动并且发出更高的光功率密度。因此，较高的明亮度(亮度)(被定义为光源在给定方向上每单位面积发出的光量，也以每平方米坎德拉(cd/m2)度量，并且通常称为尼特(nt))使得微型led适用于需要高亮度或受益于高亮度的应用，例如，高亮度环境中的显示器、或投影。

3、另外，iii族氮化物微型led中以每瓦流明(lm/w)表示的高发光效率与其他光源相比实现了更低的功耗，并且使得微型led特别适用于便携式装置。此外，由于iii族氮化物的固有材料特性，微型led可以在高温或低温和高湿度或低湿度等极端条件下运行，从而在可穿戴和户外应用中提供性能和可靠性优势。

4、还众所周知，发光二极管(led)器件为各种各样的应用提供了高效的光源。led光产生效率和出光量(light extraction)的提高、以及更小led(具有更小的发光表面积)的生产和将不同波长的led发射器集成到阵列中，特别是在显示技术方面实现了提供具有多种应用的高品质彩色阵列。

5、几种显示技术正被考虑并用于微型led显示器，以用于各种应用，包括增强现实、合并现实、虚拟现实以及直视显示，比如智能手表和移动装置。比如数字微镜(dmd)和硅基液晶(lcos)等技术是基于反射技术的，其中，使用外部光源以时间顺序模式产生红色光子、绿色光子和蓝色光子，并且像素要么将光从光学元件(dmd)转移开要么吸收光(lcos)来调整像素的亮度以便形成图像。液晶显示器(lcd)通常使用背光、可寻址背板上的lcd面板和滤色器来产生图像。需要背板来打开和关闭单个像素，并为每个视频帧调整单个像素的亮度。比如有机发光二极管(oled)或有源矩阵oled(amoled)、以及最近的微型led等发光显示技术越来越多，因为它们为不受限制的微型显示应用提供更低的功耗和更高的图像对比度。特别是微型led，与微型oled和amoled显示器相比提供更高的效率和更好的可靠性。

6、标准微型led以接近朗伯(lambertian)发射的角度分布(120度半峰全宽)发出光。将微型led发射显示器耦合到投影和/或中继透镜时，仅使用在透镜的接受角内的光。例如，典型的f/3透镜具有的接受角为约+/-9.5度。朗伯微型led发出的光的仅2.7％在+/-9.5度内，并且其余97.3％的光全部丢失。

7、现有解决方案主要依靠使用额外的光学元件来执行准直。这种光学元件通常存在于微透镜阵列上，其中每个微透镜与单独的微型led对准以对发出的光进行准直。微型led器件与光学部件之间的机械对准需要高精度(对于3微米的像素间距，精度在0.25微米以内)以维持以光轴(垂直于微型led发射区域)为中心的准直射束分布。

技术实现思路

1、为了减轻上述问题中的至少一些问题，根据本发明的第一方面，提供了一种制造发光二极管阵列的方法，该发光二极管阵列包括具有多个发光二极管的第一层，该多个发光二极管被布置成从第一层的发光表面发出光，该方法包括：在第一层的发光表面上沉积介电材料层；形成延伸穿过介电材料层的多个孔口，每个孔口的内表面是至少部分反射的，其中，多个孔口中的至少一个孔口以第一层的多个发光二极管中的发光二极管为中心并与该发光二极管对准，使得从该发光二极管发出的光在穿过至少一个孔口时被准直。

2、有利地，该方法非常适合大规模制造具有高光学效率的led器件，并提供了一种经由准直实现窄射束发射分布的单一微型led器件，其中，使用晶片上的蚀刻微型孔口实现准直，使得不需要额外光学元件来实现窄发射分布。没有额外的光学元件不仅减少了器件的部件数量，而且由于不需要将所述光学元件与底层(underlying)led对准的步骤而进一步简化了制造。此外，围绕每个单独的led提供反射孔口提供增强的光学隔离，并有助于防止相邻管芯之间的串扰，并在这种led阵列耦合到光学系统时大大减少了杂散光。此外，以下阐述的制造工艺适用于小间距led晶片，从而提供必要的高保真度，并可以进一步在确保led不会因高温加工而损坏或受损的低温下进行。

3、优选地，介电层具有在第一层的发光表面上延伸的第一表面和相反的第二表面，并且其中，多个孔口被形成成使得每个孔口包括在介电层的第一表面中的第一开口和在介电层的第二表面中的第二开口，其中，第二开口大于第一开口，使得孔口为截头锥体形的。

4、优选地，第一开口对应于底层发光二极管的区域。

5、优选地，孔口是截头圆锥形的。

6、优选地，孔口的内表面相对于垂直于介电层的平面以7.5度的角度倾斜。

7、优选地，第二层具有在1微米与5微米之间的厚度。

8、优选地，孔口的内表面涂覆有反射金属。

9、在底层led上提供这种内部反射孔口被示出为减小截止角并提高led器件与投影透镜的耦合效率。

10、优选地，反射金属是铝，其可以使用已知技术容易地沉积并且随后进行机械或化学抛光。

11、优选地，反射金属是使用高靶材利用率溅射(hitus)工艺沉积的。这有利地允许在低温下在孔口内的均匀的薄膜沉积。

12、优选地，第一层的发光二极管间隔开3微米。

13、优选地，介电层由二氧化硅或聚合物中的一种形成。

14、优选地，形成多个孔口是通过将硬掩模材料沉积到介电层的第二表面上并对硬掩模材料进行图案化以暴露介电层的限定孔口的最大宽度的区域实现的，所述最大宽度大于底层发光二极管的对应尺寸。

15、优选地，硬掩模材料是钨。

16、优选地，介电层的暴露区域被蚀刻以产生具有倾斜内表面的孔口，该倾斜内表面从介电层的由硬掩模材料限定的第二表面中的开口延伸到介电层的第一表面中的开口，其中，第一表面中的开口对应于底层发光二极管的区域。该工艺以及详细描述中概述的工艺允许对孔口的位置和轮廓进行高分辨率控制，从而允许将要求保护的方法应用于小间距led晶片。

17、优选地，发光二极管阵列为单片发光二极管阵列。

18、根据本发明的第二方面，提供了一种发光二极管阵列，该发光二极管阵列包括：第一层，该第一层具有多个发光二极管，该多个发光二极管被布置成从第一层的发光表面发出光；以及介电层，该介电层在第一层的发光表面上延伸，该介电层包括：延伸穿过介电层的多个孔口，每个孔口的内表面是至少部分反射的，其中，多个孔口中的至少一个孔口以多个发光二极管中的发光二极管为中心并与该发光二极管对准，使得从该发光二极管发出的光在穿过至少一个孔口时被准直。

19、本发明的其他方面在依据说明书和所附权利要求书中是显而易见的。