一种可见光宽光谱范围内定向光束发射的微米LED器件

技术领域

本发明涉及显示照明领域，具体涉及一种可见光宽光谱范围内定向光束发射的微米LED器件。

背景技术

传统光学元件通常具有较大的结构尺寸重量，不利于光学器件的小型化。随着LED技术的发展以及各个行业对于微型化集成化的应用要求越来越高,微型LED器件应运而生。周期性亚波长结构的超表面阵列具有独特的电磁特性，与微型LED结合可以进行光束调控，而且还易于加工。微型LED器件是在同一发光二极管芯片上集成高密度微小尺寸的二维阵列，或者在同一外延基片材料上进行高密度集成排列的微小尺寸的高亮度发光二极管管芯的二维阵列。

光束调控是光学研究领域中的重要组成部分，现有各类微米LED器件多数为垂直表面出光，而随着裸眼3D显示、VR、AR等技术的兴起，传统的垂直出射光束的LED已经不能满足其需求。为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可应用于RGB三色光和整个可见光波段下调控光束的氮化镓微米LED器件结构。本发明的微米LED器件结构包含反射层以增加光束相干性，并且包含一个相位梯度超表面来控制光束的偏转。相位梯度超表面中的每个亚波长单元结构都可以看作是一个独立的电磁调控单元，通过合理的设计每个单元结构的几何参数，能够实现在亚波长尺度内调控局部场的相位、偏振和振幅等信息，进而达到任意操控电磁波的目的，满足现代光学器件对小型化、集成化的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种可见光宽光谱范围内定向光束发射的微米LED器件，适用于各类相干性LED光源，同时对于蓝、绿和红光起到调制出光的作用，在可见光宽光谱波段实现了多角度可设计的偏转出光，光束效率较高，且结合微米LED与介质型超表面有利于集成与加工，可应用于全彩LED显示技术以及裸眼3D显示。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种可见光宽光谱范围内定向光束发射的微米LED器件，所述器件自下而上依次包括光束反射层，微米LED结构层和超表面光束偏转层；所述超表面光束偏转层划分若干光束偏转区域，每个光束偏转区域内设有相位调控单元；若干相位调控单元的横截面的面积阶梯递减排布在光束偏转区域上，光束垂直通过相位调控单元，形成出射光束在空间上的梯度相位差，用于控制出射光束的偏转角度。

进一步，所述相位调控单元为纳米柱，若干纳米柱阵列分布在光束偏转区域上；若干纳米柱的横截面的面积沿一个阵列方向阶梯递减。

进一步，所述纳米柱为长方体，所述纳米柱的横截面为正方形，横截面的边长范围为250nm～400nm；所述纳米柱高度范围为500nm～2000nm。

进一步，所述纳米柱为圆柱体或圆台或圆锥，所述纳米柱高度范围为500nm～2000nm。

进一步，所述相位调控单元的材料为可见光波段具有透射性能的无机氧化物材料。

进一步，所述光束反射层将微米LED结构层出射光进行反射，在光束反射层与微米LED结构层之间形成共振腔，用于提高进入超表面光束偏转层中光束的相干性。

进一步，所述光束反射层的材料为金属材料。

进一步，所述光束反射层为氧化物构成的分布式布拉格反射结构，所述布拉格反射结构材料为SiO

本发明的有益效果在于：

本发明所述的可见光宽光谱范围内定向光束发射的微米LED器件，适用于各类相干性LED光源，同时对于蓝、绿和红光起到调制出光的作用，在可见光宽光谱波段实现了多角度可设计的偏转出光，光束效率较高，且结合微米LED与介质型超表面有利于集成与加工，可应用于全彩LED显示技术以及裸眼3D显示。基于传输相位原理和时域有限差分算法，采用Lumerical FDTD软件以模拟分析电磁波在特定相位梯度超表面结构下的传播特性；对纳米柱不同横截面积对可见光光束的相位延迟影响进行仿真模拟；选取合适尺寸的纳米柱构建光束偏转调控阵列，实现9°～18°的出射光束偏转，光效效率约为20％～35％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的可见光宽光谱范围内定向光束发射的微米LED器件三维图。

图2为本发明所述的可见光宽光谱范围内定向光束发射的微米LED器件示意图。

图3为本发明中，蓝、绿和红光经过实施例1模型后的远场能量分布图，其中图3a为蓝光经过实施例1模型后的远场能量分布图；图3b为绿光经过实施例1模型后的远场能量分布图；图3c为红光经过实施例1模型后的远场能量分布图。

图4为本发明中，可见光光束经过光束偏转调控阵列模型1-4后出射光束偏转角度随波长变化折线图。

图中：

1-空气；2-纳米柱；3-超表面光束偏转层；4-微米LED结构层；5-光束反射层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，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，或一体地连接；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。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发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明所述的可见光宽光谱范围内定向光束发射的微米LED器件，所述器件自下而上依次包括光束反射层5，微米LED结构层4和超表面光束偏转层3；所述超表面光束偏转层3划分若干光束偏转区域，每个光束偏转区域内设有相位调控单元；若干相位调控单元的横截面的面积阶梯递减排布在光束偏转区域上，光束垂直通过相位调控单元，形成出射光束在空间上的梯度相位差，用于控制出射光束的偏转角度。若干相位调控单元在微米LED结构层4的水平面内，沿正交方向，紧密分布。单个方向上有4个至8个相位调控单元。所述光束反射层5将微米LED结构层4出射光进行反射，在光束反射层5与微米LED结构层4之间形成共振腔，用于提高进入超表面光束偏转层中光束的相干性。

所述相位调控单元为纳米柱2，若干纳米柱2阵列分布在光束偏转区域上；若干纳米柱2的横截面的面积沿一个阵列方向阶梯递减。所述纳米柱2为长方体，所述纳米柱2的横截面为正方形，横截面的边长范围为250nm～400nm；所述纳米柱2高度范围为500nm～2000nm。所述纳米柱2还可以为圆柱体或圆台或圆锥，优先所述纳米柱2为圆柱体，圆柱体的直径为50nm～245nm，其折射率n＝1.7，高度H＝850nm。

所述纳米柱2在微米LED结构层4上按照直径由大到小进行阶梯型排布，通过选择不同直径的纳米柱实现相位偏移的阶梯变化，导致等相位面倾斜，实现出射光束的偏转。其调控原理为，根据不同参数的单根纳米柱对光束产生的相位延迟数据，选取四个直径不同的基础相位调控单元可以构建光束偏转调控单元。假设垂直于超表面的入射光是平面波的话，则有公式：

是为确保光束偏转功能由超表面施加的相位偏移，λ是自由空间的光波长，θ是设计的光束偏转角度，X是纳米柱的周期。将纳米柱的周期X定为250nm，将整个2π相位延迟变化分为不连续的数值，例如0.1π，0.2π......1.9π等等，通过选择相应直径的基础相位调控单元来满足光束偏转方程。因此，4个相位调控单元通过改变纳米柱直径D实现相位偏移的阶梯变化，导致等相位面倾斜，就可以实现出射光束的偏转。

实施例1

如图1和图2所示，在本实施例的光束偏转器件中，光束反射层5采用金属Al，其厚度为200nm；微米LED结构层4为GaN-LED结构，GaN-LED结构由p-GaN层、MQWs层和n-GaN层组成，厚度分别为104nm、96nm和200nm，总厚度为400nm；超表面光束偏转层3划分若干大小为1×1μm光束偏转区域，每个光束偏转区域内阵列4X4的纳米柱2，所述纳米柱2的横截面为圆形，4列纳米柱2的横截面的面积沿一个阵列方向阶梯递减。4列纳米柱2的横截面的直径分别为210nm、160nm、110nm和60nm。

图3a、图3b和图3c给出了λ＝450nm、530nm和670nm时经过光束偏转调控阵列后的远场能量分布图，从远场能量图可以看出，出射光束会聚效果均较好，能量较为集中，在对应蓝、绿和红光三个不同的波长下，出射光束的偏转角度均为16°。

实施例2

在实施例1的基础上所述光束反射层5为氧化物构成的分布式布拉格反射结构，所述光束反射层5将微米LED结构层4出射光进行反射，在光束反射层5与微米LED结构层4之间形成共振腔，用于提高进入超表面光束偏转层中光束的相干性。所述布拉格反射结构材料为SiO

通过调节相位偏移阶梯变化的剧烈程度，可以实现光束偏转角度的调节。实现多个角度的偏转出光，本发明设计了相邻纳米柱直径差分别为20nm、35nm、50nm以及65nm的光束偏转调控阵列，为了方便标识，将这三个模型与前述模型命名为模型1-4，各光束偏转调控阵列的名称与其各列纳米柱的直径尺寸如表1所示。

表1各光束偏转调控阵列模型对应直径一览表

表2总结了模型1-4光束偏转调控阵列模型各自的远场能量对应的出射光束偏转情况，其中的蓝、绿和红光分别对应波长λ＝450nm、530nm和670nm。与设计理论相符，随着相邻纳米柱直径差的增大，经过光束偏转调控阵列后出射光束的偏转角度也增大。当直径增加时，偏转角增加。根据公式大直径增量产生大的相移，从而产生大的偏转角(sinθ)。对于蓝光、绿光和红光，这些模型中最大的偏转角分别为10.72°、16.04°和18.25°。然而，随着直径的增加，为了达到大的偏转角，会产生负面的影响。除了在所需方向上的偏转光束外，在相反的方向(从-15°到-45°)也有另一个低强度的偏转光束。光束效率被定义为全宽半最大值(FWHM)范围内的光功率与总光功率的比率。在偏转角为16°左右的模型3中，选择了11°～21°范围内的光功率。如表2，四个模型的光束效率范围在23.6％到33.6％之间，表明了大部分的光可以被偏转到所设计的方向，本发明具有实际使用价值。

表2不同直径增量的模型的偏转角和光束效率

图4描述了四个模型的偏转角与整个可见光谱的光波长的关系。在400纳米到700纳米的不同波长中，偏转角保持相当稳定。四个模型的偏转角方差的平方根分别为3.16°、3.30°、3.47°和4.36°，方差值的增加与直径的增加相对应。虽然增加直径增量可以提高光束的偏转角度，但它也失去了整个可见光谱的偏转稳定性。

综上所述，本发明基于由纳米柱构成的基础相位调控单元产生的相移，提出了一种用于可见光光束偏转的微米LED器件结构。该结构中的反射层增强了光源出光的相干性，同时光束偏转层使用不同纳米柱直径的单元的阶梯式排列达到可设计的出射光束偏转效果，实施例1中的结构对蓝、绿和红光束的偏转角度达到了16°，实施例2中结构的偏转性能在整个可见光区域都得到了检验，且在目标角度下偏转效率良好，具有实际应用价值。本发明提出的与GaN基型LED结合的光束偏转器件在可见光宽带显示领域提供了一种有效的技术方案，有利于全彩显示和裸眼3D显示领域的发展。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。