发光器件及包含器件的像素与显示器和相关制法制造技术

本发明专利技术提供了光电发光器件，包括：被配置为发射第一辐射的发光二极管；和转换层，在发光二极管上方延伸并且配置成通过光致发光将第一辐射的至少一部分转换为第二辐射；转换层由侧表面横向限定，并包括至少一个被配置为发射第二辐射的平面量子阱；衍射光栅，被配置为从转换层提取第二辐射的至少一部分；衍射光栅被蚀刻在转换层的上表面上；器件还包括具有反射面的侧向反射器，反射面相对于转换层横向延伸，面向转换层的侧表面的至少一部分，反射器的反射面和转换层的侧表面通过具有光学指数n2的材料彼此分离，并且其中将反射器的反射面与转换层的侧表面分离的距离介于λ/(n2×

【技术实现步骤摘要】
发光器件及包含器件的像素与显示器和相关制法


[0001]本专利技术涉及光电发光器件、包括多个光电发光器件的像素、包括这种像素的矩阵的显示器及其制造方法。

技术介绍

[0002]一般来说，显示设备的一个重要参数是要有尽可能大的“色域”。在色彩合成中，无论是加色法合成还是减色法合成，色域或颜色范围是某种类型的材料或设备可以再现的一组颜色的一部分。此外，照明和显示设备通过提高发光表面的光通量和清晰度(也就是分辨率)而不断发展。以屏幕为例，这体现为从阴极射线管到液晶屏幕及现在的OLED(有机发光二极管)屏幕的转变。对于照明来说，它包括从白炽灯泡到LED(发光二极管)的转变。
[0003]将LED矩阵用于显示或照明目的(例如，在汽车工业中用于车头灯)需要将LED技术应用于具有像素化矩阵发射的半导体，例如由氮化镓GaN制成。半导体技术确实能够制造出像素从一微米到几十微米的矩阵。但采用氮化镓GaN的LED主要发射蓝光，波长范围在460纳米左右。
[0004]为了获得其他颜色，有必要在像素范围内进行光转换操作。由于蓝光是可见光谱中能量最高的，它可以通过光致发光转换为能量较低的绿光或红光。光致发光是一种物质通过吸收光子被激发，然后通过重新发射能量较低的光子而去激发的过程。有两种形式的光致发光：荧光和磷光。荧光是快速光致发光，而磷光是慢速光致发光：荧光适用于显示和照明应用。
[0005]荧光可以通过荧光团的方式获得，例如呈与聚合物基质结合的粉末形式。
[0006]这些荧光团必须是亚微电子尺寸，这样就有可能将它们限制在几微米的像素中。目前可用的材料是半导体的3D量子点，如硒化镉CdSe、磷化铟InP或银铟硫化物AgInS2，或氧化物的纳米磷光体，如YAG:Ce(掺杂铈的钇铝石榴石)硫化物或氟化物。
[0007]此外，应用于微型像素的光转换的一个限制因素是它所需要的额外厚度，出于技术原因，特别是与结构的纵横比相关，必须保持像素大小的数量级；例如，对于3μm像素，转换厚度必须保持在最大3μm的数量级；或对于10μm像素，最大数量级为10μm。与像素的大小无关，下表1分别显示了对于磷化铟InP或硒化镉CdSe的3D量子点或LuAG:Ce(掺杂铈的镥铝石榴石)纳米磷光体，以及复合材料中不同的荧光团体积负载率，吸收460nm蓝光所需的转换厚度。下面的表2显示了表1中不同荧光团和负载率所达到的吸收百分比。
[0008]表1
[0009]体积负载率(％)InPCdSeLuAG:Ce108μm5μm150μm203μm2.5μm90μm301.2μm1.2μm50μm
[0010]表2
[0011]体积负载率(％)InPCdSeLuAG:Ce
109694942098969530999795
[0012]一般来说，LuAG:Ce等纳米磷光体需要几十微米的转换厚度才能完全或几乎完全吸收蓝色，这与10μm以下的像素尺寸不兼容。
[0013]因此，3D量子点似乎比纳米磷光体更有前景，因为有效转换所需的厚度远小于纳米磷光体。
[0014]Guan
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Syun Chen等人的文章“具有HBR和DBR结构的单片红/绿/蓝微型LED(Monolithic red/green/blue micro
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LEDs with HBR and DBR structures)”(IEEE光子技术快报(IEEE Photonics Technology Letters)，Vol.30，No.3,2018年2月1日)进一步描述了一种包括三个氮化镓发光二极管的像素：第一个没有转换层，用于发射蓝光，第二个有转换层，用于发射红光，第三个有转换层，用于发射绿光。使用的荧光团是3D量子点。这三个二极管在其有源层的层面上彼此分开，如果合适的话，在其转换层的层面上也由光辐射吸收层分开，以限制串扰，从而提高颜色的纯度和对比度。布置在衬底下方的下部布拉格反射镜被配置为反射三种颜色。上部布拉格反射镜布置在第二和第三二极管的转换层上，以阻挡蓝光。
[0015]3D量子点，如本文章中所采用的量子点，在受到光通量或热的影响时，明显缺乏稳定性，在显示器或照明设备中就是如此。存在封装解决方案，但这些解决方案只能实现微弱的亮度和低分辨率。
[0016]在这种情况下，需要一种光电器件，该光电器件坚固耐用，能够以稳定的方式和良好的效率发射与蓝色不同颜色的光辐射，并且即使该器件是微米尺寸，也能做到这一点。还需要一种由几个这样的光电器件组成的像素，发射具有不同饱和颜色的辐射，以实现彩色显示。

技术实现思路

[0017]为了至少部分地解决上述问题，提出了一种光电发光器件，包括：
[0018]‑
发光二极管，被配置为发射第一辐射，和
[0019]‑
转换层，其在发光二极管上方延伸并且被配置为通过光致发光将所述第一辐射的至少一部分转换成第二辐射，所述转换层由侧表面横向限定，并且其中：
[0020]‑
所述转换层包括至少一个配置为发射第二辐射的平面量子阱，
[0021]‑
衍射光栅，被配置为从所述转换层提取所述第二辐射的至少一部分，所述衍射光栅被蚀刻在所述转换层的上表面上，
[0022]‑
侧向反射器，具有反射表面，所述反射表面相对于所述转换层横向延伸，面向所述转换层的侧表面的至少一部分；
[0023]‑
所述反射器的反射面和所述转换层的侧表面通过具有光学指数n2的材料彼此分离，并且其中将所述反射器的反射面与所述转换层的侧表面分离的距离介于λ/(n2×
40)和λ/(n2×
2)之间，其中λ是所述第二辐射的平均波长。
[0024]通过平面量子阱的光致发光转换第一辐射，可以减少纳米磷光体遇到的上述吸收厚度问题。
[0025]事实上，通常介于0.1和1微米之间的转换层厚度通常证明足以吸收转换层(由半导体制成)中第一辐射的主要部分，从而使第二辐射的发射在量子阱中通过辐射重组实现。例如，在第一辐射具有主要位于蓝色的光谱的情况下，例如在介于430纳米和490纳米之间的波长范围内，并且第二辐射具有主要位于红色的光谱的情况下，例如在介于600纳米和700纳米之间的波长范围内，对于AlInGaP/InGaP(磷化铝铟镓/磷化铟镓)类型的平面量子阱转换层，介于0.2和0.5微米之间的厚度使其能够吸收第一辐射的主要部分。
[0026]此外，平面量子阱结构不存在3D量子点稳定性不足的问题。这样的平面量子阱结构确实具有非常好的抗通量和耐温性，因为它们通常是在高温下外延产生的。
[0027]另一方面，在没有特殊安排的情况下，平面量子阱转换层最终发出的光功率可能被证明是相对较弱的，由于形成该层的材料具有较高的光学指数值(一般为3或更高)，第二辐射的重要部分保留，因为它被全内反射困在该层中。
[0028]上述衍射光栅形成一维或二维光子晶体，允许更大部分的第二辐射从转换层出来，然本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电发光器件(1R；1R
’
，1G)，包括：
‑
发光二极管(10R，10G)，被配置为发射第一辐射，和
‑
转换层(20R；20R'，20G)，其在所述发光二极管(10R，10G)上方延伸并且配置成通过光致发光将所述第一辐射的至少一部分转换为第二辐射，所述转换层由侧表面(24R，24G)横向限定，所述转换层(20R；20R'，20G)包括至少一个平面量子阱(21R，21G)，所述平面量子阱被配置为发射所述第二辐射，
‑
衍射光栅(30R；30R
’
，30G)，被配置为从所述转换层提取所述第二辐射的至少一部分，所述衍射光栅被蚀刻在所述转换层的上表面(25R，25G)上，
‑
所述器件还包括具有反射面(41R，41G)的侧向反射器(40R，40G)，所述反射面相对于所述转换层(20R；20R'，20G)横向延伸，面向所述转换层的侧表面(24R，24G)的至少一部分，所述反射器的反射面(41R，41G)和所述转换层(20R；20R'，20G)的侧表面(24R，24G)通过具有光学指数n2的材料(50)彼此分离，并且其中将所述反射器的反射面(41R，41G)与所述转换层的侧表面(24R，24G)分离的距离(d
R
，d
G
)介于λ/(n2×
40)和λ/(n2×
2)之间，其中λ是所述第二辐射的平均波长。2.根据前一权利要求所述的器件(1R；1R'，1G)，其中所述反射器的反射面(41R，41G)围绕所述转换层(20R；20R'，20G)，在所述转换层的周长的主要部分上延伸。3.根据前述权利要求中任一项所述的器件(1R；1R'，1G)，其中所述反射器的反射面(41R，41G)包括至少第一反射面(46R，46G)和第二反射面(47R，47)，每个反射面(46R，47R，46G，47G)相对于所述转换层(20R；20R'，20G)横向延伸，面向所述侧表面(24R，24G)的一部分(26R，27R，26G，27G)，所述第二反射面(47R，47G)相对于所述转换层(20R；20R'，20G)位于所述第一反射面(46R，46G)的对面，所述第一反射面和第二反射面基本上彼此平行。4.据前述权利要求中任一项所述的器件(1R；1R
’
，1G)，其中所述反射器(40R，40G)至少在表面上由金属形成。5.根据前述权利要求中任一项所述的器件(1R；1R'、1G)，其中所述转换层(20R；20R'，20G)的上表面(25R，25G)延伸到小于1000平方微米，或者甚至小于100平方微米的区域。6.根据前述权利要求中任一项所述的器件(1R；1R'、1G)，其中所述发光二极管(10R，10G)包括从其中发射第一辐射的有源层(15)，所述器件(1R；1R'、1G)还包括横向限制系统，所述横向限制系统包括所述侧向反射器(40R，40G)，从所述有源层(15)轴向延伸到所述转换层(20R；20R'，20G)，并且被配置成横向限制所述第一辐射。7.根据前述权利要求中任一项所述的器件(1R；1R'、1G)，包括第一多层反射滤光器(35R)，其在所述发光二极管(10R)和所述平面量子阱(21R)之间延伸并且对于所述第二辐射至少部分反射。8.根据前述权利要求中任一项所述的器件(1R；1R'、1G)，包括第二多层反射滤光器(36R)，其在所述平面量子阱(21R)上方延伸，并且对于所述第一辐射至少部分反射。9.一种像素(100)，包括：
‑
根据前述权利要求中任一项所述的光电器件，和
‑
附加光电发光器件(1G)，包括：o附加发光二极管(10G)，配置为发射所述第一辐射，o附加转换层(20G)，其在所述附加发光二极管(10G)上方延伸并且被配置为通过光致
发光将所述第一辐射的至少一部分转换为第三辐射，所述附加转换层(20G)被侧表面(24G)横向限定，所述附加转换层包括至少一个配置为发射所述第三辐射的附加平面量子阱(21G)，配置为从所述附加转换层(20G)提取所述第三辐射的至少一部分的附加衍射光栅(30G)，所述附加衍射光栅蚀刻在所述附加转换层的上表面(25G)上，和o具有反射面(41G)的附加侧向反射器(40G)，所述反射面的至少一部分相对于所述附加转换层(20G)横向延伸，面向所述附加转换层的侧表面(24G)。10.根据前一权利要求所述的像素，其进一步包括另一个光电发光器件(1B)，所述另一个光电发光器件包括另一个发光二极管(10B)，所述另一个发光二极管被配置为发射所述第一辐射，并且是：
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要么没有转换层，
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要么设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴迪斯，
申请(专利权)人：法国原子能及替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：