微软AR/VR专利分享采用谐振微腔结构的Micro LED像素设计
采用谐振微腔结构的Micro LED像素设计
（映维网Nweon 2024年07月03日）传统的LED器件有各种各样非期望的物理性质。例如，传统LED器件可能表现出诸如显著大发射角等不需要的特性。对于给定的LED驱动信号，大的发射角意味着像素亮度或像素强度的损失。大的发射角度同时可以成为像素之间颜色或对比度的损失。尽管LED驱动信号可以调整以补偿强度或对比度的损失，但在器件中存在增加热量和功耗的负面后果。
作为下一代显示技术，Micro LED器件能够提供紧凑像素间距，高亮度和长寿命。然而，Micro LED面临的关键挑战之一是系统光利用效率。整个系统的低光利用效率给AR眼镜等便携式设备带来了总体功耗高、散热和有用电池寿命损失等问题。
在名为“Micro-cavity micro-led pixel design with directional emission for high efficiency ar/mr applications”的专利申请中，微软表示可以采用谐振微腔结构，从而缩小发射光谱，提高光学效率并降低能耗。通过LED中的空腔效应对光发射曲线进行准直，这可以提高亮度，并显著提高光利用效率。
图1示出了定向发射和高效率的基于谐振微腔的Micro LED器件100。Micro LED器件100包括顶部110、底部130和位于顶部110和底部130之间的中间或中心部分120。每个部分都可以实现为一个或多个扩展在X-Z平面上的层，其中顶部、中央和底部的名称相对于z轴。
顶部110包括一个或多个顶部接触区域111。第一触点10位于器件100的顶部110的顶部触点区域111附近，其中第一触点10可以对应于n型材料或p型材料。第一触点10的材料有效地形成到器件100的电极或第一电连接。尽管附加触点10显示在顶部触点区域111中，但所述附加触点可以电耦合到第一触点10，以便触点10一起作为设备100的单个电极起作用。
所述顶部110同时包括孔径区域112。分布布拉格反射器11位于器件100的顶部110的孔径区域112附近。孔径区域112和顶部接触区域111彼此实质上不同。
分布式布拉格反射器DBR是由具有不同折射率的多层交替材料或由介电波导的某些其他特性的周期性变化形成的结构。交替材料提供具有有效折射率周期性变化的光学边界条件，从而产生高质量的反射器。
在一定波长范围内，DBR具有非常高的反射率，其中DBR有效地阻止结构中特定图案的传播，同时促进结构中其他图案的传播。在一个实施例中，DBR可以通过诸如折射率约为2.5的二氧化钛和折射率约为1.5的二氧化硅等材料的堆叠层来构建。
所述底部部分130包括底部接触区域131。第二触点15位于器件100的底部部分130的底部触点区域131附近。第二触点15对应于与第一触点10不同的n型材料和p型材料中的一个。例如，如果第一个触点10是n型材料，则第二个触点15将是p型材料，反之亦然。所述第二触点15的材料有效地形成与所述器件100的另一电极或第二电连接。
中心部分120包括位于上区域121和下区域123之间的中间区域122。中心部分120的121区域可对应于第一类型的半导体材料12，而中心部分120的123区域可对应于第二类型的半导体材料14。
用于上部和下部区域的材料通常可以是相同类型的材料，例如砷化铝，但对于正或负类型具有不同的掺杂结构。中间区域121可以对应于由另一种半导体材料形成的量子阱13。
在一个实施例中，量子阱13可以形成为交替材料的超晶格或周期结构。周期性结构的能量带隙特性导致了一系列周期性的量子阱，称为多量子阱(MQW)，其中相邻阱之间的屏障足够厚，可以防止相邻波函数耦合。
第二触点15可以进一步包括光学反射面17。分布式布拉格反射面11的表面16对应于谐振微腔20的顶部反射面，而第二触点15的光学反射面17对应于谐振微腔20的底部反射面。第二触点15的光学反射表面17可以由高反射率金属或金属合金形成，例如铝、银、钛、锌、镁等。
器件100演示了Micro-LED像素结构，其包括位于第一接触侧的顶部反射面或反射镜16上的分布式布拉格反射器DBR，以及位于底部接触侧的光学反射材料或反射镜17。两个反射器16和17一起提供用于Micro LED像素的光学谐振微腔20。
诸如LED驱动电路40的驱动电子器件可以耦合到形成于第一触点10和第二触点15的第一和第二电极。LED驱动电路40可与LED器件分开放置。
驱动信号使Micro LED器件偏置到有源工作状态，并且光21从器件100有源区域的量子阱13发射。发射的光21在谐振腔中产生干涉，其中特定光图案很容易通过分布式布拉格反射器11耦合并作为光22输出，而其他光图案则从输出中遭到抑制。总体而言，由所公开的器件100可以产生更准直的角发射轮廓，高度定向。
图2所示的图201和图202比较了基于谐振微腔的Micro LED器件。第一图201示出用于常规LED器件的发射轮廓，而第二图202示出了发明所述的改进LED器件的发射轮廓。
光效率是面板显示器的一个重要特征。并非光源发出的所有光都能有效地照明。所以，由中心锥角形成的光束是通过投影系统传播的主导光。由于这一特性，对于发射角较宽的发射器，发射光的很大一部分会出现损失，从而大大降低了系统的有效光学效率。
如图1所示，传统的LED器件呈现出朗伯发射曲线，其中发射的总光率用面积L1表示，有用光功率用较小的面积L2表示。透镜（例如f# 2透镜系统）收集的有用光率的总体百分比对应于小于总面积的约7%。
如图2所示，改进的LED器件呈现高度定向发射轮廓，其中光近似准直。对于本例，发射的总光功率用面积C1表示，而有用光率用面积C2表示。可以看到，与传统的LED器件相比，总体百分比对应于大约15-25%的总面积，这是一倍以上的有用的光率。因此，发明所述的器件能够表现出准直光发射特性，其中进入中心锥角区域的光学效率增加，并且向每个像素传递更多的光能。
图3示出了一种定向发射、高效率的基于谐振微腔的Micro LED器件300。
如图3所示，器件300包括具有第一触点10和具有具有反射表面16的分布式布拉格反射器11的孔径区域112的上部，具有围绕量子阱13的半导体材料12和14的中部，以及具有第二触点15和光学反射表面17的下部。
器件300可进一步包括隔离层1。所述孔径区域112可对应于所述隔离层中的孔径。分布式布拉格反射器11的顶反射面16和底触点15的底反射面17在量子阱13周围形成一个光学谐振微腔20。当通过在第一触点10和第二触点15施加偏置或驱动信号来激活所述器件300时，所述量子阱13发射光21，所述光21输入到所述光学谐振微腔20中。特定图案困在微腔中，而其他图案则作为发射光22通过分布式布拉格反射器的孔径区112传输和输出。
所示的光学腔20具有与法布里-珀罗腔相似的性质。特别是，分布式布拉格反射器11的上镜16和下镜17与底部触点15形成的谐振腔对水平发射提供了明显的约束，并通过分布式布拉格反射器11促进了具有狭窄发射光谱的受限角发射剖面。
谐振波长和所需模式的光通过分布式布拉格反射器11输出，而其他非谐振波长和不需要的图案则阻挡在器件的发射之外。所以，所述分布式布拉格反射器可配置为在孔径区域112附近的表面上从谐振微腔发射光。
图4示出了另一个基于谐振微腔的Micro LED器件400。对于图4中的器件400，底部触点15相对于第一焦点具有沿共振腔轴线的凹形状，共振腔在光学反射表面17和分布式布拉格反射器11之间延伸。在底部触点15上形成的下反射器17的凹形增强了光学谐振腔的性能，具有更好的图案约束，从而进一步提高了发射光的方向性和准直性。
图5示出了另一个基于谐振微腔的Micro LED器件500。分式布拉格反射器11相对于第二焦点具有沿共振腔轴线的凹形状，第二焦点延伸到分布式布拉格反射器11和底部触点15的光学反射表面17之间。在分布式布拉格反射器11上形成的上反射器16的凹形增强了光学谐振腔的性能，具有更好的图案约束，从而进一步提高了发射光的方向性和准直性。
图6示出了另一个基于谐振微腔的Micro LED器件600。对于图6中的器件600，光学反射面17相对于位于光学反射面17与分布式布拉格反射器11之间延伸的轴线的第一焦点具有凹形状，并且分布式布拉格反射器11相对于位于谐振腔20轴线的第二焦点具有凹的反射面。上反射器16和下或下反射器17的凹形共同增强了光学谐振腔20的性能，具有更好的图案约束，从而进一步提高了发射光的方向性和准直性。
图7显示了另一个基于谐振微腔的Micro LED器件。光学反射面17相对于位于光学反射面17与分布式布拉格反射器11之间延伸的轴线的第一焦是凹的，并且分布式布拉格反射器11相对于位于谐振腔20轴线的第二焦点具有凹的反射面。所述凹形共同增强了光学谐振腔20的性能，改进了图案约束，而微透镜19进一步准直了上表面发射的光，从而进一步提高了发射光的方向性和准直性。
图8示出显示设备800的透视图。显示面板器件801的示例可以包括阵列中对应于显示面板器件的单个像素的微像素发光二极管器件的局部簇。在一个示例中，阵列中的两个相邻LED器件可以对应于单个可寻址像素，其中通过同时激活两个LED器件，所以像素的强度有效地加倍。
在另一示例中，显示面板801阵列中的三个或四个相邻LED器件可对应于单个可寻址像素，其中每个局部化簇包括至少一个微像素发光二极管器件，对应于红、绿和蓝的每一种原色。
在另一个示例中，显示面板801可对应于制造或布置为单个基板30的一部分的单个LED器件的阵列。基板30可以进一步包括集成LED驱动电子设备31或电气互连，以方便连接到外部位置的LED驱动电子设备40。
图9显示了基于谐振微腔的Micro LED器件所获得的光谱宽度对比图900。如图9201所示的改进的LED器件，其标称波长在约528 nm至约535 nm范围内，且全宽半最大值FWHM值小于约15 nm的归一化强度，这意味着更好的颜色纯度和实现更大显示色域的能力。
微软指出，采用发明所述的技术可以改善微腔谐振性能。因此，在分布式布拉格反射器11使用凹面16和/或在底部触点15上使用凹面光学反射面17可用于增强光在水平方向上传播的约束，并且可用于改善前向发射耦合并减少显示面板中相邻像素之间的像素级串扰。
对于Micro LED发射，典型的全宽半最大值FWHM为~ 30 nm。利用谐振微腔，FWHM可以减小到<15 nm，这意味着更好的颜色纯度和实现更大的显示色域的潜力。
发明提出的解决方案使系统的光收集效率提高了50%以上，其中Micro LED发射光谱的FWHM可以降低到小于15纳米(<15纳米)。
名为“Micro-cavity micro-led pixel design with directional emission for high efficiency ar/mr applications”的微软专利申请最初在2022年12月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
