白色光源用の量子ドットコンバーターを備えた高均一平面ミニチップスケールパッケージLED

背景

液晶ディスプレイ（LCD）は、現代社会のさまざまな分野で主流のディスプレイ技術としてますます支持されています。生活水準の向上に伴い、人々はLCDディスプレイの品質に対する要求をますます高めています。特に色域と明るさの点で、LCDは有機発光ダイオード（OLED）やレーザーディスプレイなどの他のディスプレイ技術によって常に追い越されています[1,2,3]。 LCDの性能を向上させるために、発光ダイオード（LED）は、その小型、低エネルギー消費、および低発熱により、従来の冷陰極蛍光ランプ（CCFL）に徐々に取って代わっています。 LEDは新世代のLCDバックライトユニット（BLU）ソースになりました[4,5,6]。現在、LED BLUは青色LEDを使用して黄色のリン光物質を励起し、白色のバックライトを形成しています。ただし、リン光物質の効率が低く、スペクトルが広く、光の減衰が大きく、粒子の均一性が低いため、LCDの輝度の向上とCIEの色度範囲が妨げられます。したがって、まだ改善の余地があります。白色LEDは、主にYAG黄色リン光物質層を窒化ガリウム（GaN）青色LED（波長450〜470 nm）にコーティングすることによって製造されることはよく知られています[7、8]。ただし、その発光スペクトルは赤色光を欠き、冷白色光を放射し、十分に自然ではなく、演色性が低く（CRIが75未満）、ハイエンド照明や特殊分野での用途が制限されます。高CRILEDを得るために、少量の赤色リン光物質と少量の緑色リン光物質を黄色のリン光物質に添加して、スペクトルを補正および変更します[6、9]。しかし、リン光をコーティングしたこのLEDの方法は、発光効率と化学的安定性の点でまだ不十分であり、大規模な普及と応用を得るのは困難です。

新しいタイプの蛍光半導体ナノクリスタルとして、ナノ量子ドット（QD）は、高いフォトルミネッセンス量子収率、狭い発光スペクトル、調整可能な発光スペクトル、高い色純度など、多くの独自の光学特性を備えています[10,11,12,13,14 、15、16]。効率的な光子管理において、QDコンバーターは太陽電池[17、18]、LED [19、20]、および光検出器[21、22、23]で広く使用できることが実証されています。特に、選択可能な波長と高い応答性およびオン/オフ比を備えたQD光検出器が報告されています[24、25]。最近、QDは、その優れた電極触媒および光触媒特性により、水分解にも適用されました[26]。 QDは、ディスプレイ分野で適切な候補材料になりました。これは、従来のリン光粉末に取って代わり、LCDの色域範囲を拡大する大きな可能性を秘めています[27、28]。 QDベースのバックライト技術は現在、ディスプレイの主流のアプリケーションターゲットであり、科学界と産業界の両方から大きな注目を集めています。 QDは通常、グループII–VIまたはIII–Vの要素で構成され、結晶粒の直径はわずか約2–10 nmです[29、30]。量子閉じ込め効果により、QDエネルギーギャップは粒子サイズによって変化する可能性があります。過去数年間、セレン化カドミウム（CdSe）とそのコアシェルQDのディスプレイ技術に関する研究が最も人気がありました。これは、主にその発光波長が可視範囲内にあるためです。 QD-LEDデバイスの構造はポリマー発光ダイオード（PLED）の構造に似ており、その発光層はコロイド状半導体QDソリューションを使用してスピンコートされているため、準備プロセスが簡単で、コストが低く、製造の柔軟性[31,32,33]。

現在、主流のLED BLU光源の配置は、エッジライトとダイレクトライトの2つのタイプに大別できます。一般に、直接照明によって提供されるコントラストと明るさの均一性は、エッジ照明よりも優れています。エッジライトの明るさの均一性は、ライトガイドプレートを使用して画面全体に光を分散させます。ただし、ライトガイドプレートの重量は、大型のLCD-TVアプリケーションには大きくなりすぎます。また、光学品質も良好である必要があり、コストが高くなります。直射日光はライトガイドを使用しません。 LEDアレイはLCDパネルの真下に均等に配置され、輝度の均一性と優れた光学効率で優れた性能を発揮します[34、35、36]。 BLUの明るさと均一性は、ディスプレイモジュールの均一性に大きな影響を与えます。したがって、BLUの輝度の均一性を改善することは非常に重要です。ただし、実際のアプリケーションでは、BLU照明の均一性を維持することは困難です。モジュールが薄くなると、明るさの不均一性が大きく異なります。薄いLEDと良好な均一性を実現するために、要件を満たすBLUを設計することはより困難です。この研究は、LEDBLUの輝度の均一性を改善する方法を提案します。 BLUの明るさの均一性は、さまざまなLED発光角度とさまざまなQD膜厚を通して議論されました。

メソッド

発光波長460nmのGaNLEDエピウェーハは、c面サファイア基板上に有機金属化学蒸着（MOCVD）によって成長させました。 LED構造は、厚さ2μmのアンドープGaN層、厚さ2.0μmのSiドープn型GaNクラッド層、6周期のInGaN / GaNマルチ量子ウェル（MQW）、厚さ25nmで構成されています。 Mgドープp-AlGaN電子ブロッキング層、および厚さ0.2μmのMgドープp型GaNクラッド層。オーミック接触層および反射器用のNi / Ag / Ni / Pt層は、電子ビーム蒸着システムを介してLED上に堆積されました。この研究で使用された3つの異なる発光角度ミニFC-LED（ミニLED）構造は、フィルム転写技術と成形チップスケールパッケージ（CSP）法によって製造され、詳細な比較が行われました：120°ミニCSPLED、150°ミニCSPLED図1に示すように、180°ミニCSPLED。120°ミニCSPLED構造は、チップの4つの側面すべてに保護層があり、発光面に透明な層があります。 150°ミニCSPLED構造は、チップの側面と発光面に透明な層があります。 180°ミニCSPLED構造は、側面に透明な層があり、チップ表面に発光があり、最上層に拡散反射層が覆われています。透明層の材料源がTiO ₂ である場合 /シリコーン樹脂ナノコンポジット、厚い保護層と薄い拡散反射層の両方がTiO ₂ 粉末。 QDフィルムは、材料源としてCdSe / ZnSコアシェルQDを使用して製造されました。グリーンエミッション（〜525 nm）とレッドエミッション（〜617 nm）のCdSe / ZnSコアシェルQDをポリメチルメタクリレート（PMMA）と混合して、さまざまなQDフィルムの厚さを作成しました。追加ファイル1：図S1。これらのQDフィルムは、LEDチップ（λ）上にカラーコンバーターとして製造されました。 =450 nm）白色光デバイスを取得します。図2は、3×3の正方形のミニLEDアレイ、拡散板、QDフィルム、および2つのプリズムフィルムで構成されるBLU構造（18mm×18mm）を示しています。ミニLEDアレイは、チップサイズが20mil×20mil、ピッチ長が5.1mmの回路基板に取り付けられました。良好な空間均一性を得るために、チップと拡散板の間を考慮した有効光学距離（OD）は2.5mmに設定されています。図3は、さまざまな厚さのQDフィルム（たとえば、60μm、90μm、および150μmの厚さのQDフィルム）を励起して白色の平面光源を得るための青色のミニLEDアレイを示しています。パネル全体の明るさの均一性は、図3に示すように、パネル上にあるL1〜L5の5点で明るさを測定することにより評価されます。この研究におけるBLUの明るさの均一性は、次の式で表されます。

3種類のミニCSPLED発光角度構造の概略図。 a 120°ミニCSPLED、 b 150°ミニCSPLED、および c 180°ミニCSPLED

バックライトユニット構造の概略図

輝度均一性測定の概略図

光出力電力-電流-電圧（ L–I–V ）これらのミニCSPLEDの特性は、Keithley 2400ソースメーターと校正済みパワーメーター（CAS 140B、Instrument Systems、ミュンヘン）を備えた積分球を使用して室温で測定されました。これらのミニCSPLEDの空間放射パターンは、ゴニオフォトメーター（LEDGON-100、Instrument Systems、ミュンヘン）を使用して測定されました。 QDフィルムを使用したBLU輝度およびエレクトロルミネッセンス（EL）スペクトルは、スペクトル輝度計（SRI-RL-5000、Optimum Optoelectronics Corp.、台湾）を使用して分析しました。

結果と考察

図4は、測定された L–I–V を示しています。 3種類のミニCSPLEDの特性。 20 mAの注入電流で、120°mini-CSPLED、150°mini-CSPLED、および180°mini-CSPLEDの順方向電圧はすべて同じで、〜2.72Vです。注入電流をさらに200mAに増やすと、これら3種類のミニCSPLEDの順方向電圧はすべて3.09–3.14 Vに増加しました。 I–V これら3つのデバイスの曲線はほぼ同じであり、CSPプロセスが電気的特性を損なうことはないことを示しています。一方、 L–I 曲線は、120°ミニCSPLED、150°ミニCSPLED、および180°ミニCSPLEDの光出力のわずかな違いのみを示しています。これは、CSP構造によるデバイス最適化の成功の結果を示しています。一方、3種類のミニCSPLEDの光出力は、最初は注入電流に比例して増加します。 L–I 曲線は、120°ミニCSPLED、150°ミニCSPLED、および180°ミニCSPLEDの光出力のわずかな違いのみを示しています。これは、CSP構造によるデバイス最適化の成功の結果を示しています。注入電流が200mAまで増加すると、3種類のミニCSPLEDの光出力は約250.9、258.0、および245.9mWでした。 120°ミニCSPLEDの光出力パワーは150°ミニCSPLEDより低く、拡散反射層によって吸収される可能性があります。 180°ミニCSPLEDは、120°ミニCSPLEDおよび150°ミニCSPLEDと比較して、200 mAの大電流での光出力を2.05％および4.93％低下させます。劣化は、透明層/ CSPLEDの上に拡散反射層が追加されたこと、光がわずかに吸収されること、または光の大部分が透明層に集中し、反射が側壁から放出されることに起因する可能性があります。

L–I–V 120°ミニCSPLED、150°ミニCSPLED、および180°ミニCSPLEDの特性

図5は、100 mAの注入電流での120°ミニCSPLED、150°ミニCSPLED、および180°ミニCSPLEDの放射パターンを示しています。ミニCSPLEDの放射パターンは、パッケージ構造を変えることで制御できます。 120°ミニCSPLED、150°ミニCSPLED、および180°ミニCSPLEDの視野角は、それぞれ110.6°、148.7°、および180°と測定されました。明らかに、180°ミニCSPLED放射パターンの視野角は、120°ミニCSPLEDおよび150°ミニCSPLEDの視野角よりも大きかった。 180°ミニCSPLEDの放射パターンの中心光出力強度は、上部の拡散反射層のために半分に低下していることがわかります。より広い視野角は、拡散反射層によって反射された後、透明層から多くの光が逃げることによって引き起こされました。つまり、蝶の羽の形をした配光を伴う発光パターンです。したがって、平面光源として使用できます。一方、120°ミニCSPLEDは4面すべてが拡散反射層で覆われているため、光は集中して上方に放射され、ランバート形状の配光を形成します。さらに、透明な層で覆われた5面のコンフォーマルにより、150°ミニCSPLEDの配光はバットウィング型の配光と同様でした。

120°ミニCSPLED、150°ミニCSPLED、および180°ミニCSPLEDの放射パターン（10 mAで）

表1は、さまざまな発光角度のミニCSPLEDブルーBLUの光電子特性を示しています。同じ順方向電圧24V（10 mA）で、CIE色度座標（ x 、 y ）120°ミニCSPLED BLU、150°ミニCSPLED BLU、および180°ミニCSPLED BLUはすべて類似しており、（ x 、 y ）=（ x =0.1518 − 0.15.2、 y =0.026 − 0.0281）。さらに、120°ミニCSPLEDブルーBLU、150°ミニCSPLEDブルーBLU、および180°ミニCSPLEDブルーBLUの光出力は、それぞれ147.43、153.02、および146.71mWで測定されました。 180°のミニCSPLEDパッケージ構造係数のため、光出力はわずかに劣っていましたが、照明領域は増加しました。

図6a〜cは、異なるQD膜厚の120°ミニCSPLED BLU、150°ミニCSPLED BLU、および180°ミニCSPLEDBLUのCIE色度図を示しています。 CIE色度座標（ x 、 y ）QD膜厚が異なる3種類のミニCSPLED BLUのうち、次のように測定しました：（ x 、 y ）=（ x =0.1977 − 0.2525、 y =0.1297 − 0.2284）、（ x 、 y ）=（ x =0.1941 − 0.2478、 y =0.1239 − 0.2295）、および（ x 、 y ）=（ x =0.1947 − 0.2496、 y =0.1328 − 0.2331）、それぞれ。 CIE色度座標を示すさまざまな厚さのQDフィルムを備えた対応するBLUの発光色度座標が青色領域の近くにあることは明らかでした。 QD膜厚が増加すると、CIE色度座標は白色領域に向かってシフトします。さらに、QD膜厚が60、90、および150μmから増加すると、BLUの輝度が増加します。この結果は、白色光を生成して輝度を上げるために、厚いQDフィルムで励起確率が大幅に増加したことに起因していました。一方、180°ミニCSPLED BLUのBLU輝度は大幅に低下しました。これは、照明領域が大きくなった結果、平均輝度が低下したためと考えられます。この研究の結果は、CIE色度座標（ x 、 y ）およびQD膜厚が異なる3種類のミニCSPLED発光角度構造の明るさは、表2、3、および4にまとめられています。ここで、データ測定値は追加ファイル1：図S2〜S10にあります。

異なるQD膜厚の120°ミニCSPLEDBLU、150°ミニCSPLED BLU、および180°ミニCSPLEDBLUのCIE色度図

図7a〜eは、120°ミニCSPLED BLU、150°ミニCSPLED BLU、および180°ミニCSPLED BLUの、ディフューザーがある場合とない場合、およびQDフィルムの厚さが異なる場合の配光画像を示しています。図7aは、ディフューザーとQDフィルムを使用しない3種類のミニCSPLEDブルーBLUの配光画像を示しています。 3種類のミニCSPLEDBLUに拡散板を配置することにより、180°ミニCSPLED BLUは、120°ミニCSPLEDBLUおよび150°ミニCSPLEDBLUと比較して、より均一な平面光を持っていることがわかります。ただし、120°ミニCSPLEDBLUと150°ミニCSPLEDBLUは、図4bに示すように、120°ミニCSPLEDBLUが最も目立つストライプパターンを示しています。同様に、図１および２に示されるように。 7c–eでは、QDフィルムが拡散板上に配置され、QDフィルムの厚さが増すにつれて、3種類のミニCSPLED BLUの配光画像は、BLUの輝度が増加し、白色光に近づくことを明確に示しています。;縞模様もますます目立たなくなります。配光画像の観測結果は、CIE色度座標（ x ）とよく一致しています。 、 y ）と明るさの結果。

120°ミニCSPLEDBLU、150°ミニCSPLED BLU、および180°ミニCSPLED BLUの配光画像（拡散板ありとQD膜厚の違いあり）

上記の結果から、CIE色座標（ x 、 y ）厚さ150μmのQDフィルムを使用して、白色領域に近づけることができます。そこで、QDフィルムの厚さを固定し、3種類のミニCSPLEDBLUの輝度均一性の影響について検討しました。 5点輝度均一性測定法を用いて、3種類のミニCSPLEDBLU +150μm厚QDフィルムの輝度均一性は、それぞれ35％、39％、86％と推定されました。明らかに、120°ミニCSPLEDBLUおよび150°ミニCSPLEDBLUと比較して、180°ミニCSPLEDBLUのBLU輝度均一性は1.47倍および1.19倍改善されました。したがって、180°ミニCSPLED BLU +150μm厚のQDフィルムを使用すると、全体的なBLU輝度の均一性を効果的に改善できることがわかりました。 3種類のミニCSPLEDBLU +150μm厚のQDフィルムの輝度均一性の計算を表5にまとめました。このデータ測定は、追加ファイル1：図S11〜S22にあります。

図8a〜cは、3種類のミニCSPLEDBLUとLCDを使用した場合と使用しない場合の厚さ150μmのQDフィルムのCIE色度図とELスペクトルを示しています。図8aに示すように、CIE色度座標（ x 、 y ）LCD付きの120°ミニCSPLED BLUの（0.2525、0.2284）から（0.2873、0.3099）にシフトしました。 LCD付きの150°ミニCSPLEDBLUは、（0.2478、0.2295）から（0.2830、0.3072）でした。 LCD付きの180°ミニCSPLEDBLUは、（0.2496、0.2331）から（0.2794、0.3063）でした。これは、LCDを追加すると、CIE色度座標がより白い領域にシフトしたことを示しています。 3種類のミニCSPLEDBLU + LCDなしの厚さ150μmのQDフィルムのELスペクトルは、強い青色光強度を示し、CIE色度座標は図8bに示すように青色に近い領域にあります（図8bを参照）。追加ファイル1：図S4、S7、およびS10）。 LCDを3種類のミニCSPLEDBLU +150μm厚のQDフィルムに配置した場合、ELスペクトルは、赤、緑、青の光強度が類似しており、CIE色度座標が白色領域にあることを示しています。 。この結果は、図8cに示すように、色座標の位置を改善するLCD構造のカラーフィルターに起因する可能性があります（追加ファイル1：図S23〜S25を参照）。挿入図は、180°ミニCSPLED BLU +150μm厚のQDフィルムとLCDの実際のアプリケーション写真を示しています。

a CIE色度図。 b 、 c 3種類のミニCSPLEDBLU +150μm厚のQDフィルムのELスペクトル（LCDありとなし）

結論

結論として、我々は、QDフィルムとともに、青色光および励起エネルギー源としてミニCSPLED BLUを使用して、均一な白色バックライトを生成することに成功しました。ミニCSPLEDは、120°、150°、および180°の放射角度パッケージ構造にさらされ、ミニCSPLEDの光学性能に大きな違いがあることを確認しました。 120°ミニCSPLEDおよび150°ミニCSPLEDと比較した場合、ラガー発光角度および180°ミニCSPLEDの照明領域は大幅に改善されました。印象的なことに、150μmの厚さのQDフィルムを備えた180°ミニCSPLED BLUは、約86％のバックライトディスプレイ用の優れた均一輝度平面白色光源を実現しました。これは、将来の超薄型ディスプレイ技術にとって重要です。 LEDチップを保護し、LEDの放射角度と照明領域の問題を解決し、輝度の均一性に優れたディスプレイ用のバックライト光源を製造できる、信頼性の高いCSPテクノロジーを実装しました。

略語

BLU：

バックライトユニット

CCFL：

冷陰極蛍光灯

CdSe：

セレン化カドミウム

GaN：

窒化ガリウム

LCD：

液晶ディスプレイ

mini-CSPLED：

ミニチップスケールのパッケージ化された発光ダイオード

OLED：

有機発光ダイオード

PLED：

ポリマー発光ダイオード

QD：

量子ドット

YAG：

イットリウムアルミニウムガーネット