フルアングルマイクロLED用の高反射薄膜最適化

はじめに

ディスプレイは、スマートフォン、コンピューターモニター、テレビ（TV）、商用広告画面など、人間の生活に欠かせないものになりました。これらは、最も使用されているディスプレイ技術の例です。現在の主流のディスプレイ技術には、液晶ディスプレイ（LCD）、有機発光ダイオード（OLED）、およびマイクロサイズの発光ダイオード（マイクロLED）が含まれます[1,2,3]。 LCDには、長寿命、低価格、成熟した技術などの利点があります[4、5、6]。ただし、大型直射バックライト液晶の全体的な光出力効率は依然として低く、構造が複雑であるため、全体の厚みを薄くすることは困難です[7,8,9]。

OLEDは、ディスプレイに適用すると自己発光するという利点があり、サイズが小さく、柔軟性が高く、コントラストが高く、色域が広い[10,11,12]。ただし、発光時に赤、緑、青のサブピクセルが混ざり合うことで生じる色純度の低下の問題を解決するには、複雑で細かい金属マスクを使用する必要があります。これにより、OLEDディスプレイの解像度と明るさも制限されます。内部有機材料の特性により、全体的な寿命が短くなります[13、14、15]。

マイクロLEDには、LCDやOLEDの利点に加えて、高輝度、長寿命、高効率という利点があります[16、17、18]。マイクロLEDディスプレイは自発光型であり、非常に小さなマイクロLEDチップを点光源として使用するため、高い発光効率、長寿命、高い色純度、高いコントラスト、および高い化学的安定性という利点があります[19、20、21]。;しかし、そのようなディスプレイには、マイクロLEDサイズの縮小や機器の比較的高い基板精度などの課題があり、それによって多数のマイクロLEDの転送技術に問題が生じます[22、23、24]。

製造工程の難しさに加えて、マイクロLEDを光源として使用する場合、表示されるライトフィールドパターンはランバート特性を持ち、商用広告ディスプレイに適用すると視野角が制限されるなどの問題が発生します[25]。したがって、マイクロLEDの発光角度を大きくすると、ディスプレイの視野角が大きくなるだけでなく、LCDのバックライトとして使用する場合のディスプレイの数と厚みも小さくなります。これまでのところ、マイクロLEDの発光角度を最適化するための研究はまだ不足しているため、この研究分野を改善することは有益であると期待されています[26、27、28]。近年、学者は発光角度を最適化するための光学設計を提案しています。 Spägeleetal。スーパーセル内の隣接する原子間の結合を使用して広角効果を実現するスーパーセルメタサーフェス（SCMS）を提案しました。 Estakhri etal。広角を実現するために、TiOxナノワイヤで構成される高効率の後方反射可視光勾配メタ表面の設計を提案しました。 Deng etal。光の出口角度を大きくするためにメタ表面を構築するための長方形の溝を備えた薄い金属ナノ格子を提案しました[29、30、31]。 Qiu etal。広い視野角を実現するための新しいタイプの透明導電性フィルムとして、無秩序なダブルサイズの開口部を備えたAuナノメッシュ構造を提案しました。 Liu etal。グラフェンを透明導電性フィルムとして使用することを提案しました。これは、光異方性と大角度の入射領域での高い光透過率という利点があるためです。さらに、赤外線LEDについては、Lee etal。 NIR-LEDの最上層の間に2nmの厚さのTiバリアを挿入することにより、低温近赤外発光ダイオード（NIR-LED）用のチタン-インジウム-スズ酸化物（TITO）薄膜の開発を研究しました。広角効果を実現するITO [32,33,34]。

二次光学素子を使用した配光の変調に関する研究も報告されています。 Run etal。発光角度を最適化するために、内面が円柱で外面が自由曲面である新しい自由曲面レンズを設計しました。リンら。 LEDレンズアレイのレイアウトを最適化して広角を実現するために、デカルトカンデラ分散型フリーフォームレンズアレイを提案しました[35、36]。さらに、チップスケールパッケージ-発光ダイオード（CSP LED）の光形状の変調に関する研究には、従来のパッケージ構造の変更とフラット光源の配光最適化が含まれます[37、38]。

何人かの研究者はまた、ライトフィールドパターンを変更するためにさまざまなLED基板の設計を検討しました。 Lai etal。硫酸ウェットエッチングプロセスを使用して、c面サファイア基板上に三角錐パターンを形成し、より高い光抽出効率を達成し、光の角度を大きくしました。 Lan etal。強いピークと大きな光角を示すパッケージ化された逆台形フリップチップマイクロLEDと組み合わせたパターン化サファイア基板（PSS）を提案しました。張ら。ナノパターンサファイア基板（NPSS）構造を備えたフリップチップ深紫外線LEDを研究し、NPSS構造が広角を実現し、光抽出効率を高めることができることを示しました[39、40、41]。配光を変調するために、光学部品も光学モジュールに追加されています。王ら。コンパクトな光ガイドプレートを通して光を拡散し、広い視野角を実現するために、ストライプ拡散反射器と組み合わせたコンパクトな高指向性バックライトモジュールを提案しました。 Li etal。マルチツイストリターダの1/4波長板を設計して、色収差効果と広い視野角を実現しました[42、43]。

広角を実現するには、LCDを設計し、広角バックライトと液晶材料に適合させる必要があります。この過程で、横方向の光漏れや色ずれの問題があります。 3つのグループの指向性バックライトと高速スイッチングLCDパネルを使用して、120度の広視野角で時分割多重化されたライトフィールドディスプレイが実証されています[44]。

したがって、発光角度を改善することに関する以前の研究は、発光角度を増加させるためのマイクロＬＥＤチップ上の光学フィルムの設計に関する関連する調査を欠いている。近年、マイクロLEDのサイズが大幅に縮小されているため、従来のLEDのように二次光学レンズを使用してライトフィールドタイプを調整することは不可能です。以前の研究では、金属フィルムを使用してライトフィールドタイプを調整することも提案されています。金属はさまざまな角度で優れた反射率を示しますが、材料は光吸収係数が高く、光出力効率が低下します。さまざまな角度での誘電体材料の反射率は、金属の反射率よりも比較的優れているわけではありませんが、材料自体の光吸収係数は低くなっています。この論文は、マイクロLEDの表面に堆積された低吸収および高反射の薄膜を得て、光出力効率と全角光を考慮しながら全角配光を達成するための誘電体および金属膜の主要な光学設計を提案します。マイクロLEDの発光。フルアングルマイクロLEDは、広い視野角を必要とする商用広告ディスプレイまたは平面光源モジュールに適用すると利点があります。

材料と方法

マイクロLEDのチップサイズとライトフィールドタイプ

この研究で使用されたマイクロLEDの寸法は、長さ L に基づいています。 _c 、幅 W _c 、および高さ H _c それぞれ150µm、85 µm、85 µmです。ベアチップの配光曲線を図1に示します。法線方向の中心点の強度 I _C は92％、ピーク角度 I _ピーク は15°であり、中心点の強度の計算方法は式（1）で表されます。 （1）。配光曲線から、マイクロLEDは同様のランバート光タイプを持ち、半値全幅（FWHM）は135°であることがわかります。したがって、二次光学レンズなしで全角発光を得るために発光角度を大きくすることが、この研究の主な研究の焦点です。

マイクロLEDチップの配光曲線

前述のパラメータの中で、低い中心光強度と増加したピーク発光角度は、均一性と視野角を改善するのに役立ちます[45]。この研究では、マイクロLEDチップの表面にある高反射薄膜（HRTF）層の設計について説明します。これには、TiO ₂ で作られた誘電体膜が含まれます。 / SiO ₂ 積み重ねられた誘電体材料とAl製の金属膜。マイクロLEDの構造とそれを通る光路を図2に示します。光は多重量子井戸（MQW）層を通って出て、HRTFによって部分的に反射されます。その後、光はAl ₂ の側壁から出ます。 O ₃ 層、マイクロLEDからの光の出口角度を増やして、フルアングルの光の出口を実現します。

HRTFコーティングを施したフルアングルマイクロLED内の光路

HRTFの資料

光学フィルムに使用される材料の選択は、望ましい特性を達成するために重要です。第一に、材料は、大きな吸収による光抽出効率の低下を避けるために、必要な波長帯域で低い吸光係数を持たなければなりません。次に、材料の接着性、物理的および化学的安定性、および光透過率を考慮する必要があります。誘電体TiO ₂ / SiO ₂ 可視光帯域でこれらの特性に優れた特性を持っています。 Alの吸光係数は比較的高いですが、入射角を大きくしても反射率を簡単に下げることはできません。ただし、高い光強度には耐えることができます。上記の特性に基づいて、高屈折率材料（ H ）TiO ₂ 低屈折率材料（ L ）SiO ₂ は誘電体膜に使用され、Alは金属膜に使用されます。Al ₂ O ₃ 光学薄膜設計の基板として。この研究で使用された材料の屈折率は、460nmの主波長で表1に示されています。

HRTF設計の最適化

マイクロLEDの発光面に使用される基板はAl ₂ です。 O ₃ 。基板上にHRTFを設計し、誘電体と金属膜を使用して、高い発光効率を維持しながら反射率を改善しました。ここでの目標は、460nmの主波長で反射率> 90％を達成することでした。 HRTFの設計の背後にある原理は、光の破壊的および建設的な干渉特性を使用して反射率を向上させることです。光学的厚さが波長の1/4のときにフィルム媒体で最大の光干渉が発生し、このときの界面反射率Rは式（1）に従って計算されます。 （2）[46]。

ここで、 P はTiO ₂ の数です –SiO ₂ 周期、\（{} n _ {{\ text {s}}} \）は基板の屈折率、\（n_ {1} \）はTiO ₂ の屈折率です 、\（n_ {2} \）はSiO ₂ の屈折率です 、および\（n _ {{{\ text {air}}}} \）は、空気媒体の屈折率です。透過光学的厚さは波長の1/4です。したがって、Al、TiO ₂ の物理的な厚さ 、およびSiO ₂ それぞれ20nm、47.78 nm、78.50nmです。この研究では、Macleod光学シミュレーションソフトウェアを使用して、純粋なAl、Al /（HL）、Al /（HL） ² の4つの薄膜構造をシミュレートします。 、およびAl /（HL） ³ 。

図3は、純粋なAl、Al /（HL）、（HL） ² の波長と反射率の関係を示しています。 、Al /（HL） ² 、およびAl /（HL） ³ 400〜500nmのシミュレートされた波長範囲での5つの膜スタック構造の。純粋なAl、Al /（HL）、（HL） ² の反射率 、Al /（HL） ² 、およびAl /（HL） ³ 460 nmでは、それぞれ85.53％、86.15％、71.84％、90.23％、93.04％です。

純粋なAl、Al /（HL）、（HL） ² の反射率 、Al /（HL） ² 、およびAl /（HL） ³ 400〜500nmの波長でシミュレートされました

表2に、純粋なAl、Al /（HL）、（HL） ² の5種類の膜スタック構造の反射率、透過率、吸収率を示します。 、Al /（HL） ² 、およびAl /（HL） ³ 。 460 nmでの純アルミニウムの透過率は5％、吸収率は9.47％で、5種類のメンブレンスタックの中で最も高い吸収率です。 （HL） ² の透過率 460 nmでの膜スタックは28.06％で、吸収率は0.1％です。この吸収率は、全体的な光抽出効率に直接影響します。さらに、この膜スタック構造は吸収率が最も低く、反射率はわずか71.84％です。 Al /（HL） ² メンブレンスタックの透過率は460nmで4.38％、吸収率は5.39％です。このメンブレンスタック構造は、全体的な光抽出効率と全角配光を考慮に入れています。放射束と全体的な光抽出効率の両方を考慮すると、Al /（HL） ² この研究では、HRTFコーティングにメンブレンスタック構造を使用しました。

図4は、シミュレートされたAl /（HL） ² を示しています。 および（HL） ² また、400〜500nmの対応する反射率と透過率のグラフ。 Al /（HL） ² の平均反射率と透過率 は89.6％と4.54％であり、（HL） ² の平均反射率と透過率です。 それぞれ70.3％と29.56％です。シミュレーション結果から、薄いアルミニウム層を追加すると、反射率が1.27倍に増加することがわかります。

Al /（HL） ² のシミュレートされた薄膜構造の反射率と透過率 および（HL） ² 400〜500nmの範囲の波長の場合

図5は、（a​​）Al /（HL） ² の透過率と反射率の変化を示しています。 異なる入射角で; 0°から60°までの平均反射率は87.7％、平均透過率は6.97％です。図5b。 （HL） ² の透過率と反射率 異なる入射角で; 0°から60°までの平均反射率は68.99％、平均透過率は30.88％です。フルアングル反射フィルム設計では、Al /（HL） ² シミュレーション結果から、薄いアルミニウム層を追加すると、平均反射率の全角度が1.27倍に増加することがわかります。

シミュレートされた a の反射率と透過率の変化 Al /（HL） ² 0〜90°および b の入射角の場合 （HL） ² 0〜90°の入射角の場合

図6は、Al /（HL） ² のシミュレートされた波長/入射角/反射率の3D図を示しています。 入射角が0〜25°で、波長範囲440〜480 nmで平均反射率が90％を超える場合。

Al /（HL） ² のシミュレートされた波長、入射角、および反射率の3D関係図

結果と考察

図7は、マイクロLEDチップのHRTFコーティングの走査型電子顕微鏡（SEM）画像を示しています。チップ長さL _c は240µm、幅W _c は140µm、高さH _c 100 µmです。図8aは上面図を示し、図8bは底面図を示しています。

マイクロLEDチップのSEM画像： a トップと b 底面図

HRTFの断面SEM画像

図8は、HRTFコーティングを施したマイクロLEDチップの断面SEM画像を示しています。 HRTFプロトタイプフィルムスタックには、20.6 nmのAlフィルム厚、TiO ₂ が含まれています。 46.3nmと46.2nmの誘電体膜厚、およびSiO ₂ 誘電体の膜厚は77.5nmと77.1nmです。

図9は、測定された輝度-電流-電圧（L–I–V）曲線を示しています。 30 mAの入力電流の下で​​、結果は、HRTFコーティングなしで、出力放射束、電圧、および外部量子効率（EQE）がそれぞれ33.833 mW、3.293 V、および41.84％であることを示しています。 HRTFコーティングの電圧、出力電力、およびEQEは、それぞれ3.301 V、32.757 mW、および40.51％です。結果は、HRTFコーティングがマイクロLEDの電流対電圧（IV）曲線特性にほとんど影響を与えないことを示しています。 HRTFコーティングのEQEは減衰3.178％です。

HRTFコーティングの有無によるマイクロLEDの光電特性

入力電流が50mAに増加すると、この電圧と出力電力はそれぞれ3.5Vと48.165mWに増加し、放射束はHRTFコーティングなしのマイクロLEDよりも約3.3％低くなります。これは、HRTFコーティングを施したマイクロLEDの電圧変動率が低く、光損失特性が低いことを示しています。

図10は、HRTFスタックコーティングを施したマイクロLEDの電流の主波長のドリフト特性を示しています。オレンジ色の線は裸のマイクロLEDを表し、青色の線はHRTFコーティングが施されたマイクロLEDです。電流が2mAから30mAに増加すると、ピーク波長は465.47nmから460.01nmに変化します。これは、マイクロLEDがAl /（HL） ² のスタックでコーティングされていることを示しています。 メンブレンは、電流の主波長に対して5.46nmの変化しか示しません。したがって、これらの結果は、元の裸のマイクロLEDの光電特性が維持されていることを示しています。

Al /（HL） ² がある場合とない場合のマイクロLEDの主波長特性曲線の変化 フィルムスタックコーティング

図11は、温度とピーク波長の特性曲線を示しています。オレンジ色の線は裸のマイクロLEDを表し、青い線はHRTFコーティングが施されたマイクロLEDです。温度が25°Cから105°Cに上昇すると、ピーク波長は460.09から462.45nmに赤方偏移します。これらの2つの曲線は、HRTFコーティング後も元の光電特性が維持されていることを示しています。主な波長シフトはわずか2.36nmです。

Al /（HL） ² がある場合とない場合のマイクロLEDのピーク波長の特性曲線 温度変化に基づくフィルムスタックコーティング

HRTFの長期安定性テストを図12に示します。テストアンビット温度は25℃、駆動電流は30mAです。 1000時間で、放射束は98.5％に維持できます。

HRTFの長期安定性テスト

図13は、ベアおよびHRTFコーティングされたマイクロLEDの配光曲線を示しています。黒い線は、FWHMが135°、中心光強度が92％、ピーク角度が15°の裸のマイクロLEDのライトフィールドパターンを表しています。赤い線は、HRTFコーティングを施したマイクロLEDの配光を表しており、そのFWHMは165°に増加し、中心光強度は63％に減少し、ピーク角度は37.5°に増加しています。

ベアおよびHRTFコーティングされたマイクロLEDの配光曲線

図14は、（a）ベアおよびHRTFコーティングされたマイクロLEDの発光分布の図を示しています。図14bは、HRTFコーティングを施したマイクロLEDの発光分布が、より広い角度とより均一な分布を持っていることを示しています。

a の発光分布の概略図 裸で b HRTFコーティングされたマイクロLED

大きな広角ディスプレイ画面としてのHRTFの異なる領域間の色収差を図15に示します。

HRTFに対応する異なる波長の反射率関係

この記事は、HRTFの設計を最適化するために、440〜460nmの波長範囲に基づいています。将来的にフルカラーに適用する場合は、アルミニウムフィルムの厚さを50 nm以上に増やすと、グローバル波長（400〜780 nm）での色の均一性が向上します。

結論

マイクロLEDの表面にHRTFコーティングを施して、配光角度を大きくし、完全な視野角を実現する設計を提案します。一次光学設計を使用して、二次光学要素なしでマイクロLEDの光形状を変調します。 HRTFフィルムスタック構造は、Al /（HL） ² を使用して最適化されます。 高反射と低吸収を得るために。プロトタイプで製造されたマイクロLEDの測定では、HRTFコーティングを施した30 mAの入力電流の下で​​、L–I–V曲線がマイクロLEDのI–V特性にほとんど影響を与えず、放射フラックスはわずか3.3であることが示されています。裸のマイクロLEDよりも％低い。発光角度に関しては、HRTFコーティングを施したマイクロLEDの中心光強度が92％から63％に減少し、ピーク角度が15°から37.5°に増加し、FWHMが135°から165°に向上します。 。

評価実験の結果は、HRTFコーティングを施したマイクロLEDは、電圧変動率が低く、光損失が低く、165°の大きな全角配光を持っていることを示しています。フルアングルマイクロLEDは、裸のマイクロLEDの光電特性を維持しながら、全体的な光効率を考慮して製造されています。これらのマイクロLEDは、広い視野角を必要とするディスプレイまたは平面光源モジュールに適用すると利点があります。

データと資料の可用性

この記事の結論を裏付けるデータセットは、記事で入手できます。

略語

マイクロLED：

マイクロ発光ダイオード

FWHM：

半値全幅

TV：

テレビ

LCD：

液晶ディスプレイ

OLED：

有機発光ダイオード

SCMS：

スーパーセルメタサーフェス

TITO：

チタン-インジウム-スズ酸化物

NIR-LED：

近赤外発光ダイオード

CSP-LED：

チップスケールパッケージ-発光ダイオード

PSS：

パターン化されたサファイア基板

NPSS：

ナノパターンのサファイア基板

L _c ：

マイクロLEDの長さ

W _c ：

マイクロLEDの幅

H _c ：

マイクロLEDの高さ

I _ピーク ：

ピーク角度強度

I _C ：

中心光強度

HRTF：

反射率の高い薄膜

MQW：

多重量子井戸

H ：

高屈折率材料

L ：

低屈折率材料

k ：

吸光係数

SEM：

走査型電子顕微鏡

L–I–V：

輝度-電流-電圧

IV：

電流対電圧