微型发光结构、制备方法、显示器件及投影设备

技术领域

本申请涉及发光技术领域，尤其涉及一种微型发光结构、制备方法、显示器件及投影设备。

背景技术

Micro-LED(Micro-Light Emitting Diode，微米发光二极管)显示技术是指以自发光的微米量级的LED为发光像素单元，将其组装到驱动面板上形成高密度LED阵列的显示技术。

在相关技术中，微型发光结构存在光串扰现象，图像显示不清晰。

发明内容

本申请提供了一种微型发光结构、制备方法、显示器件及投影设备。

本申请采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种微型发光结构，包括：

发光单元阵列，所述发光单元阵列包括阵列排布的多个发光单元，所述发光单元包括层叠设置的第一半导体层、发光层和第二半导体层，所述发光层设置于所述第一半导体层的一侧，所述第二半导体层设置于所述发光层背离所述第一半导体层的一侧；

对于所述发光单元阵列在第一方向分布上相邻的每两个所述发光单元，这两个发光单元的第一半导体层断开设置。

在第一方面的其中一个实施例中，对于所述发光单元阵列在第二方向分布上相邻的每两个所述发光单元，这两个发光单元的第一半导体层连通设置。

在第一方面的其中一个实施例中，每个所述发光单元均对应设置有一个第一电极层，对于所述发光单元阵列在第二方向分布上的发光单元列，所述发光单元列的两端均设置有两个第二电极层。

在第一方面的其中一个实施例中，所述发光结构还包括衬底，所述衬底靠近所述第一半导体层的一侧设置有凹陷部，所述衬底上的膜层填充于所述衬底的凹陷部以形成透镜结构。

在第一方面的其中一个实施例中，所述发光结构包括层叠设置的衬底、缓冲层、所述第一半导体层、所述发光层、所述第二半导体层、第一电极层、第二电极层、键合层和钝化层；

所述衬底设置于所述第一半导体层远离所述发光层的一侧，所述缓冲层设于所述衬底和所述第一半导体层之间，所述第一半导体层背离所述发光层的一侧设有多个凸台，所述第一电极层设置于所述凸台上，所述第二电极层设置于所述第一半导体层的两端，所述钝化层分别附着于所述第一半导体层、所述发光层、所述第二半导体层、所述第一电极层和所述第二电极层的表面，所述键合层穿设于所述钝化层且与所述第一电极层和所述第二电极层连接；

所述第一电极层和所述第二电极层均包括层叠设置的电流扩展层和金属电极，所述金属电极与所述键合层连接；

对于所述发光单元阵列在第二方向分布上相邻的每两个所述发光单元，这两个发光单元的第一半导体层连通设置；

每个所述发光单元均对应设置有一个第一电极层，对于所述发光单元阵列在第二方向分布上的发光单元列，所述发光单元列的两端均设置有两个所述第二电极层；

所述衬底靠近所述第一半导体层的一侧设置有凹陷部，所述衬底上的膜层填充于所述衬底的凹陷部以形成透镜结构。

第二方面，本申请实施例还提供了一种微型发光结构的制备方法，包括：

获取一外延片，所述外延片包括衬底和层叠设置在所述衬底上的第一半导体层、发光层和第二半导体层；

沿所述第二半导体层向衬底方向刻蚀，形成发光单元阵列，刻断在第一方向分布的相邻每两个发光单元的第一半导体层。

在第二方面的其中一个实施例中，所述获取一外延片，包括：

获取一衬底，对衬底进行图案化处理；

在处理后衬底的图案化表面层叠设置第一半导体层、发光层和第二半导体层。

在第二方面的其中一个实施例中，所述沿所述第二半导体层向衬底方向刻蚀，还包括：

保留在第二方向分布的相邻每两个所述发光单元的第一半导体层部分厚度。

第三方面，本申请实施例还提供了一种显示器件，包括：

上述任一实施例中所述的微型发光结构；

驱动芯片，所述驱动芯片与所述发光结构的一非出光侧电连接。

第四方面，本申请实施例还提供了一种投影设备，包括：

上述任一实施例中所述的显示器件，通过所述显示器件产生图像光束；

镜头，用于将所述图像光束进行投射以形成图像画面。

本申请提出了一种微型发光结构、制备方法、显示器件及投影设备，相较于相关技术，本申请通过将沿第一方向分布的第一半导体层断开设置，沿第二方向分布的第一半导体层连通设置。在工作过程中，发光单元的部分光线在第一半导体层的临界面发生全反射，向第一反向分散的部分反射光线，可经相邻两个第一半导体层的断开处射出，而不是从邻近发光单元对应的区域或从发光结构的边侧射出，从而改善光串扰、周边露光的问题，进而能够提升图像显示的清晰度和显示效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请一些实施例中微型发光结构的结构示意图；

图2示出了本申请一些实施例中外延层的结构示意图；

图3示出了本申请一些实施例中第一半导体层的结构示意图一；

图4示出了本申请一些实施例中第一半导体层的结构示意图二；

图5示出了本申请一些实施例中电流扩展层的结构示意图；

图6示出了本申请一些实施例中金属电极的结构示意图；

图7示出了本申请一些实施例中钝化层的结构示意图；

图8示出了本申请一些实施例中键合层的结构示意图；

图9示出了本申请一些实施例中微型发光结构的制备方法的流程图。

主要元件符号说明：

100-微型发光结构；110-发光单元阵列；111-第一半导体层；112-发光层；113-第二半导体层；114-第一电极层；115-第二电极层；116-电流扩展层；117-金属电极；118-缓冲层；120-衬底；130-钝化层；140-键合层；

a-第一方向；b-第二方向。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本申请的发明人发现，在微型发光结构的工作过程中，在部分发光单元工作时，存在部分光线在第一半导体层与衬底的界面位置发生全反射，将有一部分全反射光线会从钝化层中折射并射出，最终从未工作的发光单元处射出，从而形成光串扰现象；同时存在部分全反射光线经第一半导体层与衬底的界面多次反射后从微型发光结构的边侧射出，造成微型发光结构周边的露光问题，影响Micro-LED显示器件整体的显示效果。尤其，在光学投影、车载HUD(Head Up Display，平视显示系统)镜头等远距离显示的应用场景中，存在图像显示不清晰等问题。

当然，本方案提供的微型发光结构100，不仅能够应用于光学投影、车载HUD等电子设备的投影部分，还可以应用于电子设备的显示部分，例如该电子设备可以包括：智能手机、智能手表、笔记本电脑、平板电脑、行车记录仪、导航仪、头戴式设备等任何具有显示屏的设备。

本申请中，微型发光结构100可以为Micro-LED芯片、Mini-LED芯片等微型LED芯片。

本实施例中，微型发光结构100可以为Micro-LED芯片。

如图1所示，本申请的实施例提供了一种微型发光结构100，包括发光单元阵列110，发光单元阵列110包括阵列排布的多个发光单元，发光单元包括层叠设置的第一半导体层111、发光层112和第二半导体层113，发光层112设置于第一半导体层111的一侧，第二半导体层113设置于发光层112背离第一半导体层111的一侧；对于发光单元阵列110在第一方向a分布上相邻的每两个发光单元，这两个发光单元的第一半导体层111断开设置。

第一半导体层111和第二半导体层113可分别电源的正负极连接，以使发光单元通电后，发光层112可发出光线。第一半导体层111和第二半导体层113的电极连接方向可进行互换，即，当第一半导体层111与电源负极连接时，则第二半导体层113与电源正极连接，或第一半导体层111与电源正极连接时，则第二半导体层113与电源负极连接。本实施例中，电源可为驱动芯片。

同时，沿第一方向a分布的多个所述发光单元满足：相邻两个发光单元的第一半导体层111断开设置。通过上述设置，在微型发光结构100的工作过程中，部分在第一半导体层111临界面发生的全反射光线，可经第一方向a相邻的两个第一半导体层111的断开处射出，而不是从邻近发光单元对应的区域或从微型发光结构100的边侧射出，从而改善光串扰、周边露光的问题，进而能够提升图像显示的清晰度和显示效果。

在一些实施例中，对于发光单元阵列110在第二方向b分布上相邻的每两个发光单元，这两个发光单元的第一半导体层111连通设置。其中，第二方向b可以垂直于第一方向a，通过沿第二方向b分布的相邻两个发光单元的第二半导体层113连接，进而实现多个发光单元的电性连通，使多个发光单元能够共用电极，从而实现发光单元阵列110的微型化设计，进而应用到可穿戴设备等更多应用场景上。

在一些实施例中，每个发光单元均对应设置有一个第一电极层114，对于发光单元阵列110在第二方向b分布上的发光单元列，沿第二方向b分布的多个发光单元至少共用一个第二电极层115。第一电极层114和第二电极层115可分别为发光单元的正负极连接端或负正极连接端，以实现发光单元在通电后进行发光作业。本实施例中，第一电极层114为正极连接端，第二电极层115为负极连接端。

第一电极层114设置于每个发光单元的第二半导体层113上，第二电极层115的数量可为一个或者两个，第二电极层115设置于发光单元列的端部。

在一个实施例中，第二电极层115的个数为一个，第二电极层115设置于发光单元列的一个端部，由于第一半导体在第二方向b的连通设置，发光单元列内的多个发光单元可共用一个第二电极层115，并与每个发光单元对应设置的第一电极层114形成闭合电路。

在另一个实施例中，第二电极层115的个数为两个，第二电极层115设置于发光单元列的两端，通过两个第二电极层115的设置，可增大发光单元的电流密度，提高发光单元的发光效率。

在一些实施例中，微型发光结构100还包括衬底120，衬底120靠近第一半导体层111的一侧设置有凹陷部，衬底120上的膜层填充于衬底120的凹陷部以形成透镜结构。

本实施例中，膜层可为缓冲层118或其它透光材料层，但膜层的折射率因与衬底120的折射率不同，以使光线在两者的临界面产生折射效果。

根据设计的需要，衬底120的材料也可以选择使用Si(硅)、SiC(碳化硅)、GaAs(砷化镓)、AlN(氮化铝)、ZnO(氧化锌)等材料中的一种。本实施例中，衬底120可以选用Al2O3(蓝宝石)衬底120、玻璃衬底120等。

凹陷部的型状可为弧形或多边形，为提高发光单元的出光效率，可采用图形化处理衬底120，衬底120与直接设置在衬底120上的膜层间形成凹陷的微透镜结构，这样在发光单元作业时，微透镜能够对光线进行准直、汇聚，提升出光效率，进一步改善光串扰问题。

凹陷部的形状可以为矩形、梯形、弧形或其它多边形结构，为提升光线的汇聚效果，本申请凹陷部的形状优选为弧形。进一步地，弧形凹陷部为非球面曲率结构，对光线的聚集和准直效果更佳。

在一些实施例中，微型发光结构100包括层叠设置的衬底120、第一半导体层111、发光层112、第二半导体层113、第一电极层114、第二电极层115、键合层140和钝化层130。

具体的，衬底120设置于第一半导体层111远离发光层112的一侧，缓冲层118设于衬底120和第一半导体层111之间，第一半导体层111背离发光层112的一侧设有多个凸台，第一电极层114设置于凸台上，第二电极层115设置于第一半导体层111的两端，钝化层130分别附着于第一半导体层111、发光层112、第二半导体层113、第一电极层114和第二电极层115的表面，键合层140穿设于钝化层130且与金属电极117连接。

第一电极层114和第二电极层115均包括层叠设置的电流扩展层116和金属电极117，金属电极117与所述键合层140连接。

对于发光单元阵列110在第二方向b分布上相邻的每两个发光单元，这两个发光单元的第一半导体层111连通设置；每个发光单元均对应设置有一个第一电极层114，对于发光单元阵列110在第二方向b分布上的发光单元列，发光单元列的两端均设置有两个第二电极层115；衬底120靠近第一半导体层111的一侧设置有凹陷部，衬底120上的膜层填充于衬底120的凹陷部以形成透镜结构。

具体的，缓冲层118可为U-GaN层，第一半导体层111可为N-GaN层，第二半导体层113可为P-GaN层。在一些情况下，缓冲层118可进行与第一半导体层111一样的结构设计，即缓冲层118在第一方向a上呈断开设置，在第二方向b呈连通设置，进一步增加从断开处射出的反射光线，改善光串扰效果。

具体的，缓冲层118覆盖于衬底120带有微透镜阵列的一侧，为外延层的生成提供缓冲。第一半导体层111的一侧与缓冲层118贴合，另一侧刻蚀形成多个间隔设置的凸台。即第一半导体层111的部分区域露出凸台范围，且每个凸台的规格可设置为相同。

发光层112可为MQW(Multiple Quantum Well，多量子阱)层，发光层112设置于第一半导体层111的台阶端面，第二半导体层113设置于发光层112背离第一半导体层111的一侧。通过缓冲层118、第一半导体层111、发光层112和第二半导体层113的层叠设置，已形成一个发光单元。

电流扩展层116沉积于第一半导体层111暴露于凸台的边部和第二半导体层113背离发光层112的一侧，金属电极117沉积于电流扩展层116上。

电流扩展层116可以使用ITO(Indium tin oxide，氧化铟锡)、FTO(氧化氟锡)或AZO(氧化铝锌)等材料中的一种。本实施例中，电流扩展层116可使用ITO材料。

金属电极117可以采用离子束蒸镀方法，通过依次沉积Ti/Al/Ti/Au(钛/铝/钛/金)金属层形成。在另一些实施例中，金属电极117还可由Ni/Fe/Pt/Pd(镍/铁/铂/钯)金属制成，亦或其他导电材料制成。

钝化层130可由聚氯乙烯、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚酰胺树脂、聚乙烯醇、天然橡胶、聚苯乙烯或SiO2(二氧化硅)等材料制成。本申请中，钝化层130由SiO2沉积形成。

钝化层130覆盖金属电极117的部位均开设有通孔，键合层140由金属材料在钝化层130的通孔处沉积形成，并使键合层140相对于钝化层130远离衬底120的一侧表面凸出。键合层140可由金、钛、镍、铝、铜、铟、锡或银锡合金等金属材料制成。本实施例中，键合层140由金属铟沉积形成。

在一些实施例中，第一方向a可与第二方向b形成一定夹角，夹角大小可以5°、15°、30°、45°、60°、90°等等，均可满足本申请的方案，具体可根据实际需求进行设置。为便于工业生产和提升微型发光结构100精密度，本实施例中，第一方向a与第二方向b可呈90°夹角设置。

如图9所示，本申请的实施例还提供了一种微型发光结构100的制备方法，可用于制备上述任一实施例中的微型发光结构100。

微型发光结构100的制备方法包括：

S10，获取一外延片，外延片包括衬底120和层叠设置在衬底120上的第一半导体层111、发光层112和第二半导体层113。

外延片可通过制备获取或外购获得，本申请中，外延片采用制备获得。

一并结合图2所示，可先选取一衬底120，以用作外延层的生长载体。在一些实施例中，衬底120可以选用Al2O3(蓝宝石)衬底120、Si(硅)衬底120或SiC(碳化硅)衬底120等衬底120结构中的一种。本实施例中，透明衬底120为Al2O3(蓝宝石)衬底120。

在另一些实施例中，在获取一衬底120后，还可对衬底120进行图案化处理。如刻蚀得到弧形或多边形凹陷，已形成微透镜结构，对光线进行准直、汇聚，以提高发光单元的出光效率，进一步改善光串扰现象，提升图像显示的清晰度和显示效果。

紧接着，在衬底120进行图案化处理的一侧生成缓冲层118、第一半导体层111、发光层112和第二半导体层113，已形成外延层结构。其中，缓冲层118、第一半导体层111、发光层112和第二半导体层113可分别通过不同或相同的外延生长方法生长而成。例如，可分别通过气相外延生长方法、液相外延生长方法或分子束外延生长方法等外延生长方法中的一种进行生长。

S20，沿第二半导体层113向衬底120方向刻蚀，形成发光单元阵列110，刻断在第一方向a分布的相邻每两个发光单元的第一半导体层111。

一并结合图3和图4所示，图3为微型发光结构100剖面方向与第一方向a垂直的剖面图，图4为微型发光结构100剖面方向与第一方向a平行的剖面图。

在外延层结构生成后，可通过光刻工艺对第二半导体进行刻蚀，使缓冲层118和第一半导体层111沿第一方向a间隔断开分布，而在第二方向b保持连通设置，此时，第一半导体层111的部分厚度被保留，已形成多个凸台结构。

最后，在外延层的凸台侧依次生成电流扩展层116、金属电极117、钝化层130和键合层140。

一并结合图5所示，可通过磁控溅射方法在凸台上和第一半导体层111的边部凹陷处沉积ITO材料，以获得电流扩展层116。

一并结合图6所示，可通过离子束蒸镀方法在电流扩展层116远离外延层的一侧表面依次沉积Ti/Al/Ti/Au金属层，以形成金属电极117。

一并结合图7所示，可通过PECVD方法在缓冲层118、第一半导体层111、发光层112、第二半导体层113、电流扩展层116和金属电极117的表面沉积SiO2材料，以形成钝化层130。进一步，通过光刻工艺在钝化层130上开设通孔，且使通孔与金属电极117相对。可以理解的是，通孔可连通外界环境及金属电极117。相应地，金属电极117远离透明衬底120一侧的至少部分表面可通过钝化层130上的通孔外露。

一并结合图8所示，可通过PECVD方法在通孔所对应位置的金属电极117上沉积金属材料铟，以形成键合层140，并使键合层140相对于钝化层130远离衬底120的一侧表面凸出，以便于对键合层140远离衬底120的一端进行焊接。

本申请的实施例还提供了一种显示器件，包括上述任一实施例中的微型发光结构100和驱动芯片，驱动芯片与微型发光结构100的一非出光侧电连接。

该显示器件可应用于电子设备，实现增强现实(Augmented Reality，AR)、虚拟现实(Virtual Reality，VR)、混合现实(Mixed Reality，MR)等扩展现实(Extended Reality，XR)技术。在实施时，该显示器件可以是电子设备的投影部分，例如投影仪、抬头显示(HeadUp Display，HUD)等；又例如，该发光装置也可以是电子设备的显示部分，例如该电子设备可以包括：智能手机、智能手表、笔记本电脑、平板电脑、行车记录仪、导航仪、头戴式设备等任何具有显示屏的设备；还例如，该显示器件也可以是电子设备的照明部分，例如该电子设备可以包括：车辆、路灯等任何具有照明组件的设备。

本实施例中具有上述任一实施例中的微型发光结构100，因此，具有上述任一实施例中微型发光结构100的全部有益效果。

本申请的实施例还提供了一种投影设备，包括上述任一实施例中的显示器件和镜头，显示器件通过微型发光结构100产生图像光束，镜头用于将图像光束进行投射以形成图像画面。

本实施例中具有上述任一实施例中的显示器件，因此，具有上述任一实施例中显示器件的全部有益效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。