半导体聚光结构及制备方法、近眼显示器件及制备方法

技术领域

本申请涉及近眼显示设备技术领域，尤其涉及一种半导体聚光结构及制备方法、近眼显示器件及制备方法。

背景技术

在近眼显示(例如，AR或VR)设备中，为了实现高质量的显示分辨率，因此需要单个微小尺寸的发光显示显示像点具有准直的发光特性和发散角小的特点。而在传统的AR/VR近眼显示设备中，为了实现发光光束的准直，一般会采用光波导将micro-LED发出的广角分布的光引导出来，最终形成发散角小的准直光。但是，光波导在将原来广角发散的光引导出来后，会导致大量的光损耗，进而使得AR/VR近眼显示设备的发光效率低。

发明内容

为此，本申请所解决的技术问题在于提供一种半导体聚光结构及制备方法、近眼显示器件及制备方法，其无需使用光波导结构，就可以用来实现光线的准直化或者会聚化，而且还有利于减小光损耗，大大提高近眼显示器件的发光效率。

为了解决上述技术问题，本申请采用的技术方案内容具体如下：

第一方面，本申请实施例提供一种半导体聚光结构，包括本体；所述本体上设有多个纳米孔；所述纳米孔呈周期性分布以使所述本体形成光子晶体。

进一步地，所述本体包括衬底层和设于所述衬底层上的介质层；所述纳米孔设置在所述介质层上。

优选地，所述介质层的厚度取值范围为1000-10000nm。

进一步地，所述纳米孔的孔径与光波长的关系式为：D＝0.557λ-62nm，其中，D为纳米孔的孔径，λ为光波长；所述纳米孔之间的间距与光波长的关系式为：d＝-0.002λ

优选地，所述纳米孔的孔径取值范围为10-1000nm。

优选地，所述纳米孔之间的间距取值范围为10-1000nm。

第二方面，本申请实施例提供一种半导体聚光结构的制备方法，所述方法包括：

提供本体；

在所述本体上设置多个呈周期性分布以使所述本体形成光子晶体的纳米孔。

进一步地，所述提供本体，包括：

提供衬底层；

在所述本体上设置多个呈周期性分布以使所述本体形成光子晶体的纳米孔，包括：

在所述衬底层上设置带有多个呈周期性分布以使所述本体形成光子晶体的纳米孔的介质层。

进一步地，所述纳米孔的孔径与光波长的关系式为：D＝0.557λ-62nm，其中，D为纳米孔的孔径，λ为光波长；所述纳米孔之间的间距与光波长的关系式为：d＝-0.002λ

第三方面，本申请实施例提供一种近眼显示器件，包括发光元件和半导体聚光结构；所述半导体聚光结构包括本体，所述本体上设有多个呈周期性分布以使所述本体形成光子晶体的纳米孔；所述半导体聚光结构设置在所述发光元件的光线传播路径上。

进一步地，所述半导体聚光结构正对所述发光元件的发光面。

优选地，所述本体包括衬底层和设于所述衬底层上的介质层；所述纳米孔设置在所述介质层上。

进一步地，所述纳米孔的孔径与光波长的关系式为：D＝0.557λ-62nm，其中，D为纳米孔的孔径，λ为光波长；所述纳米孔之间的间距与光波长的关系式为：d＝-0.002λ

第四方面，本申请实施例提供一种近眼显示器件的制备方法，所述方法，包括：

提供发光元件；

提供本体上设置多个呈周期性分布以使所述本体形成光子晶体的纳米孔的半导体聚光结构；

将所述半导体聚光结构设置在所述发光元件的光线传播路径上。

进一步地，所述提供本体上设置多个呈周期性分布以使所述本体形成光子晶体的纳米孔的半导体聚光结构，包括：

提供衬底层；

在所述衬底层上设置带有多个呈周期性分布以使所述本体形成光子晶体的纳米孔的介质层。

进一步地，所述纳米孔的孔径与光波长的关系式为：D＝0.557λ-62nm，其中，D为纳米孔的孔径，λ为光波长；所述纳米孔之间的间距与光波长的关系式为：d＝-0.002λ

综上所述，与现有技术相比，本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请实施例通过在半导体聚光结构的本体上设有多个呈周期性分布以使所述本体形成光子晶体的纳米孔，通过该光子晶体即可将发光元件所发出的广角发散光会聚成束，实现光线的准直化或者会聚化，而且相对于现有采用相同材质的光波导实现广角发散光会聚光束的技术手段，不但不会显著削弱光强(可以有效保留至少90％的光强)，而且还能将所制得的近眼显示器件的发光效率提高接近50倍。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种半导体聚光结构的结构示意图；

图2是光波通过图1所示的半导体聚光结构后的光线变化图；

图3是相同波长的光波分别通过本申请实施例提供的半导体聚光结构和传统的相同材质的光波导后的光强分布对比图；

图4是本申请实施例提供的一种半导体聚光结构的制备方法的流程图；

图5是本申请实施例提供的一种近眼显示器件的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种近眼显示器件的制备方法的流程图。

其中，附图标记说明如下：

1、本体；11、衬底层；12、介质层；2、纳米孔；3、发光元件；A、光波通过传统的光波导后的光强分布区；B、光波通过本申请的半导体聚光结构后的光强分布区。

具体实施方式

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请实施例中，所采用的术语“第一”、“第二”、“第三”等意在作为区分不同元素的标签，并且根据它们的数字指定可能不一定具有顺序含义。

下面结合说明书附图对本申请实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本申请实施例的一个实施例提供一种半导体聚光结构，包括本体1；该本体上设有多个纳米孔2；该纳米孔呈周期性分布以使该本体形成光子晶体。

本申请实施例通过在半导体聚光结构的本体上设有多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔，如图2所示，通过该光子晶体即可将发光元件3所发出的广角发散光会聚成束，实现光线的准直化或者会聚化，而且如图3所示(B处的光强明显比A处的更加集中)，相对于传统采用相同材质的光波导实现广角发散光会聚光束的技术手段，不但不会显著削弱光强(可以有效保留至少90％的光强)，而且还能将所制得的近眼显示器件的发光效率提高接近50倍。

需要说明的是，该纳米孔呈周期性分布，具体是指：所有纳米孔以一个固定间距均匀分布在本体上；或者，所有纳米孔以几个不同固定间距分布在本体上；又或者，针对设有不同区域的本体，在同一个区域内，纳米孔以不同的固定间距分布在对应的本体区域上；又或者，针对设有不同区域的本体，在同一个区域内，纳米孔以几个不同的固定间距分布在对应的本体区域上。具体的周期性分布，以半导体聚光结构所应用的发光元件的具体光源波长有关。

需要说明的是，使用者可以根据实际的使用需要以及纳米孔的周期性分布来设定纳米孔的具体数量，对本领域技术人员来说，无需对本实施例中的“多个纳米孔”的具体数量作出必须的限制与说明。

需要说明的是，该发光元件可以为单个发光二极管组成的单一光源，也可以为由多个发光二极管(发光波长相同或不同)组成的复合光源。

为了明确纳米孔呈周期性分布的规律，提高本体形成光子晶体的良品率，在一些实施例中，该纳米孔的孔径与光波长的关系式为：D＝0.557λ-62nm，其中，D为纳米孔的孔径，λ为光波长；该纳米孔之间的间距与光波长的关系式为：d＝-0.002λ

例如，对于波长为450nm的光波，所需要的纳米孔孔径和纳米孔之间的间距分别约为189nm和274nm；对于波长为530nm的光波，所需要的纳米孔孔径和纳米孔之间的间距分别约为233nm和489nm。

在一些实施例中，该本体包括衬底层11和设于该衬底层上的介质层12；该纳米孔设置在该介质层上。其中，该衬底层为用于生长介质层的任何材料，包括蓝宝石、碳化硅(SiC)或硅(Si)等；该介质层为适合在该衬底层上得到呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔的任何材料，包括氮化镓(GaN)、氧化铝(AlO)、二氧化硅或玻璃等。

为了采用电化学腐蚀方法在本体上得到纳米孔，所以该纳米孔的孔径不得小于10nm，而为了获得准直度达90％以上的会聚光束，该纳米孔的孔径不多大于1000nm，所以，在一些实施例中，该纳米孔的孔径取值范围为10-1000nm。

为了缩短采用电化学腐蚀方法在衬底层上生长介质层的时间，进一步提高工作效率，在一些实施例中，该介质层的厚度取值范围为1000-10000nm。

在一些实施例中，该半导体聚光结构，包括本体；该本体划分为至少两个子区域，每个子区域分别对应不同波长的光波；每个子区域上都设有多个纳米孔，每个子区域内的纳米孔均呈周期性分布以使该本体形成光子晶体，从而使得该半导体聚光结构可以适合应用在具有对多个不同波长的光源的准直场合，满足使用者对半导体聚光结构的功能多样化的使用需求。

例如，该本体划分为3个子区域，每个子区域分别对应红光、绿光和蓝光，其中，对应红光子区域上都设有多个第一纳米孔；对应绿光子区域上都设有多个第二纳米孔；对应蓝光子区域上都设有多个第三纳米孔；并且，该第一纳米孔、第二纳米孔和第三纳米孔分布在各自子区域内呈周期性分布以使该本体形成光子晶体。

如图4所示，本申请实施例提供一种半导体聚光结构的制备方法，该方法适合用于制备上述任意一种结构的半导体聚光结构。该方法包括：

提供本体；

在该本体上设置多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔。

其中，该提供本体，包括：

提供衬底层；

在该本体上设置多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔，包括：

在该衬底层上设置带有多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔的介质层。

需要说明的是，该纳米孔呈周期性分布，具体是指：所有纳米孔以一个固定间距均匀分布在本体上；或者，所有纳米孔以几个不同固定间距分布在本体上；又或者，针对设有不同区域的本体，在同一个区域内，纳米孔以不同的固定间距分布在对应的本体区域上；又或者，针对设有不同区域的本体，在同一个区域内，纳米孔以几个不同的固定间距分布在对应的本体区域上。具体的周期性分布，以半导体聚光结构所应用的发光元件的具体光源波长有关。

需要说明的是，使用者可以根据实际的使用需要以及纳米孔的周期性分布来设定纳米孔的具体数量，对本领域技术人员来说，无需对本实施例中的“多个纳米孔”的具体数量作出必须的限制与说明。

为了明确纳米孔呈周期性分布的规律，提高本体形成光子晶体的良品率，在一些实施例中，该纳米孔的孔径与光波长的关系式为：D＝0.557λ-62nm，其中，D为纳米孔的孔径，λ为光波长；该纳米孔之间的间距与光波长的关系式为：d＝-0.002λ

在一些实施例中，优选采用电化学腐蚀法在该衬底层上设置带有多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔的介质层。

下面以衬底层为蓝宝石，介质层为氮化镓(GaN)为例子，详细说明采用电化学腐蚀法在该衬底层上设置带有多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔的介质层的具体流程：

将一个N型掺杂的氮化镓(GaN)样品浸入到导电的溶液中，将氮化镓(GaN)样品上接到电源的正极端，将电源的负极端通过连接到导电的溶液中，然后施加电压。这样N型掺杂的氮化镓(GaN)将被刻蚀最终形成纳米孔结构。在电化学刻蚀过程中，通过改变所施加的电压大小或者改变N型氮化镓(GaN)中的掺杂浓度，就可以改变纳米孔的孔径大小和纳米孔之间的间距，同时通过调节刻蚀时间长度就可以改变生长在蓝宝石上的氮化镓(GaN)纳米孔层的厚度。

为了采用电化学腐蚀方法在本体上得到纳米孔，所以该纳米孔的孔径不得小于10nm，而为了获得准直度达90％以上的会聚光束，该纳米孔的孔径不多大于1000nm，所以，在一些实施例中，该纳米孔的孔径取值范围为10-1000nm。

为了缩短采用电化学腐蚀方法在衬底层上生长介质层的时间，进一步提高工作效率，在一些实施例中，该介质层的厚度取值范围为1000-10000nm。

如图5所示，本申请实施例提供一种近眼显示器件，包括发光元件3和半导体聚光结构；该半导体聚光结构包括本体1，该本体上设有多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔2；该半导体聚光结构设置在该发光元件的光线传播路径上。

本申请实施例通过在半导体聚光结构的本体上设有多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔，如图2所示，通过该光子晶体即可将发光元件3所发出的广角发散光会聚成束，实现光线的准直化或者会聚化，而且如图3所示(B处的光强明显比A处的更加集中)，相对于传统采用相同材质的光波导实现广角发散光会聚光束的技术手段，不但不会显著削弱光强(可以有效保留至少90％的光强)，而且还能将所制得的近眼显示器件的发光效率提高接近50倍。

在一些实施例中，该半导体聚光结构正对该发光元件的发光面，从而进一步提高近眼显示器件的发光效率。在一些实施例中，半导体聚光结构直接粘贴于发光元件的发光面上，从而更加便于加工。

在一些实施例中，该本体包括衬底层和设于该衬底层上的介质层；该纳米孔设置在该介质层上。

需要说明的是，该纳米孔呈周期性分布，具体是指：所有纳米孔以一个固定间距均匀分布在本体上；或者，所有纳米孔以几个不同固定间距分布在本体上；又或者，针对设有不同区域的本体，在同一个区域内，纳米孔以不同的固定间距分布在对应的本体区域上；又或者，针对设有不同区域的本体，在同一个区域内，纳米孔以几个不同的固定间距分布在对应的本体区域上。具体的周期性分布，以半导体聚光结构所应用的发光元件的具体光源波长有关。

需要说明的是，使用者可以根据实际的使用需要以及纳米孔的周期性分布来设定纳米孔的具体数量，对本领域技术人员来说，无需对本实施例中的“多个纳米孔”的具体数量作出必须的限制与说明。

需要说明的是，该发光元件可以为单个发光二极管组成的单一光源，也可以为由多个发光二极管(发光波长相同或不同)组成的复合光源。

为了明确纳米孔呈周期性分布的规律，提高本体形成光子晶体的良品率，在一些实施例中，该纳米孔的孔径与光波长的关系式为：D＝0.557λ-62nm，其中，D为纳米孔的孔径，λ为光波长；该纳米孔之间的间距与光波长的关系式为：d＝-0.002λ

为了采用电化学腐蚀方法在本体上得到纳米孔，所以该纳米孔的孔径不得小于10nm，而为了获得准直度达90％以上的会聚光束，该纳米孔的孔径不多大于1000nm，所以，在一些实施例中，该纳米孔的孔径取值范围为10-1000nm。

为了缩短采用电化学腐蚀方法在衬底层上生长介质层的时间，进一步提高工作效率，在一些实施例中，该介质层的厚度取值范围为1000-10000nm。

在一些实施例中，该半导体聚光结构，包括本体；该本体划分为至少两个子区域，每个子区域分别对应不同波长的光波；每个子区域上都设有多个纳米孔，每个子区域内的纳米孔均呈周期性分布以使该本体形成光子晶体，从而使得该半导体聚光结构可以适合应用在具有对多个不同波长的光源的准直场合，满足使用者对半导体聚光结构的功能多样化的使用需求。

例如，该本体划分为3个子区域，每个子区域分别对应红光、绿光和蓝光，其中，对应红光子区域上都设有多个第一纳米孔；对应绿光子区域上都设有多个第二纳米孔；对应蓝光子区域上都设有多个第三纳米孔；并且，该第一纳米孔、第二纳米孔和第三纳米孔分布在各自子区域内呈周期性分布以使该本体形成光子晶体。

如图6所示，本申请实施例提供一种近眼显示器件的制备方法，该方法适合用于制备上述任意一种结构的近眼显示器件；该方法，包括：

提供发光元件；

提供本体上设置多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔的半导体聚光结构；

将该半导体聚光结构设置在该发光元件的光线传播路径上。

其中，该提供本体上设置多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔的半导体聚光结构，包括：

提供衬底层；

在该衬底层上设置带有多个呈周期性分布以使该本体形成光子晶体的纳米孔的介质层。

需要说明的是，该纳米孔呈周期性分布，具体是指：所有纳米孔以一个固定间距均匀分布在本体上；或者，所有纳米孔以几个不同固定间距分布在本体上；又或者，针对设有不同区域的本体，在同一个区域内，纳米孔以不同的固定间距分布在对应的本体区域上；又或者，针对设有不同区域的本体，在同一个区域内，纳米孔以几个不同的固定间距分布在对应的本体区域上。具体的周期性分布，以半导体聚光结构所应用的发光元件的具体光源波长有关。

需要说明的是，使用者可以根据实际的使用需要以及纳米孔的周期性分布来设定纳米孔的具体数量，对本领域技术人员来说，无需对本实施例中的“多个纳米孔”的具体数量作出必须的限制与说明。

为了明确纳米孔呈周期性分布的规律，提高本体形成光子晶体的良品率，在一些实施例中，该纳米孔的孔径与光波长的关系式为：D＝0.557λ-62nm，其中，D为纳米孔的孔径，λ为光波长；该纳米孔之间的间距与光波长的关系式为：d＝-0.002λ

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将本申请所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。