专利名称：发光单元阵列与投影系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发光单元阵列及显示装置，且特别是涉及一种微型发光二极管阵列(micro-light-emitting diode, μ -LED)及使用此微型发光二极管阵列作为投影成像源的投影装置。
背景技术：
发光二极管具有高效率、长寿命...等等的特性，使目前LED光源使用相当广泛。 其中，LED微型投影系统让投影与显示产品产生革命性的变化。目前微型投影系统分为独立型(Stand alone)及嵌入型(Embedded)两大类。嵌入型是指将微型投影系统内建于原本即存在的装置中，例如手机、数字相机、掌上型游戏机...等等。然而，要将投影机嵌入移动式的电子产品内，必须先克服的问题就是小型化的问题。目前的微型投影技术不论是数字光学处理(Digital Light Processing，DLP)投影机、液晶投影机(Liquid Crystal Projector, LCP)与反射式液晶(Liquid Crystal On Silicon, LC0S)投影显示装置均须设置有光机引擎。因此，这样的产品要同时兼顾投影亮度与缩小体积的考量，例如形成超微小(<3cc)的投影系统，有其设计的极限与困难。有鉴于此，μ -LED阵列显示型光源所发展的微型投影系统因应而生。μ "LED阵列显示型光源即是投影成像源，所以此类型设计的微型投影系统无须光机引擎。一般来说，只需将μ -LED阵列显示型光源搭配一投影镜头，即可构成一高效率、超小型的投影系统，且总体积有潜力小于3cc。整体而言，此类型的投影系统可以达成嵌入式微型投影的目的，是目前所有微型投影技术无法达到的门槛。图1绘示为一种已知的使用微型发光二极管阵列显示型光源的投影系统。由图1 可知，投影系统100包括有配置于基板10上的微型发光二极管阵列110、微透镜阵列120以及投影镜头130。微型发光二极管阵列110是由多个微型发光二极管所构成的阵列结构，且每一微型发光二极管可视为一个像素而作为显示之用。微透镜阵列120配置于微型发光二极管阵列110上，且包括有多个微型透镜。每个微型透镜可以对应一个像素(也就是一个微型发光二极管)而设置。投影镜头130则设置于微型发光二极管阵列110所发出的光线的光径上。图2绘示为图1的投影系统中，微型发光二极管阵列的光线追迹图，而图3绘示为图1的投影系统中，微型发光二极管阵列的远场(far field)光线强度分布。请同时参照图2与图3，微透镜阵列120设置于微型发光二极管阵列110上会使微型发光二极管阵列 110所发出的光线大致上分成三个族群A、B、C。当微型发光二极管阵列110显示影像时，相邻的两个微型发光二极管可显示不同的亮度及/或颜色以构成所需的显示影像。然而，由图2与图3可知，每个微型发光二极管所发出的光线中属于族群B以及族群C的部分是倾斜地射出，而与邻近的微型发光二极管所发出的光线彼此干扰，此一现象通常称为光学串音(cross talk)现象。此时，投影系统 100将因为这样的光学串音现象而导致成像品质不佳，如影像对比度下降及投影亮度减弱等。所以，如何使微型发光二极管阵列110的光线更加准直地射出是微型发光二极管阵列显示型光源影用于投影系统时必须克服的一项问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种发光单元阵列，包括多个微型发光二极管。这些微型发光二极管于基板上排列成阵列，且各微型发光二极管包括反射层、发光结构以及光线准直结构。发光结构配置于反射层上，发光结构包括依序堆叠的第一型掺杂半导体层、有源层以及第二型掺杂半导体层。至少部分第一型掺杂半导体层、有源层以及至少部分第二型掺杂半导体层夹于反射层与光线准直结构之间。本发明又提出一种发光单元阵列，包括多个微型发光二极管，其于基板上排列成阵列。各微型发光二极管包括反射层、发光结构以及第一光子晶体结构层。发光结构配置于反射层上，且发光结构包括依序堆叠的第一型掺杂半导体层、有源层以及第二型掺杂半导体层。第一型掺杂半导体层、有源层以及第二型掺杂半导体层夹于反射层与第一光子晶体结构层之间。本发明另提出一种投影系统，包括显示单元阵列以及投影镜头。显示单元阵列包括多个微型发光二极管，其于基板上排列成阵列。各微型发光二极管包括反射层、发光结构以及光线准直结构。发光结构配置于反射层上，发光结构包括依序堆叠的第一型掺杂半导体层、有源层以及第二型掺杂半导体层。第一型掺杂半导体层、有源层以及至少部分第二型掺杂半导体层夹于反射层与光线准直结构之间。投影透镜组位于显示单元阵列的显示光线的光径上。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
图1为一种已知的使用微型发光二极管阵列显示型光源的投影系统；图2为图1的投影系统中，微型发光二极管阵列的光线追迹图；图3为图1的投影系统中，微型发光二极管阵列的远场(far field)光线强度分布；图如至图4i为本发明第一实施例的发光单元阵列的制作方法；图fe与图恥分别为现有微型发光二极管的远场分布图以及本实施例的微型发光二极管的远场分布图；图6为本发明第一实施例的发光单元阵列中微型发光二极管搭配了微型透镜所呈现的远场光线强度在不同视角下的分布；图7为本发明第一实施例的发光单元阵列应用于投影系统的示意图；图至图8e为本发明第二实施例的发光单元阵列的制作流程示意图；图9a至图9g为本发明第三实施例的发光单元阵列的制作流程示意图；图10为本发明第四实施例的发光单元阵列与微透镜阵列的示意图；图11为微型发光二极管的射散关系图，其表示为微型发光二极管所发出光线的出光光向量与光子晶体结构的节距对应出光波长的比值的关系；
图12为本发明第五实施例的发光单元阵列搭配微透镜阵列的示意图。主要元件符号说明10、220、242、410、470、510、570、590、610 基板100,300 投影系统110 微型发光二极管阵列120、302、700 微透镜阵列130、304 投影镜头200、400、600、800 发光单元阵列222,422,522,626A 第一型掺杂半导体层222a、222b 掺杂半导体材料薄层224,492,550,628 光线准直结构226,424,524,626B 有源层228,426,526,626C 第二型掺杂半导体层230 发光结构层232,428,624 接触层234,430,622 反射层236、494、620、820、M 微型发光二极管238、460、580 保护层240、582、640 电极242 基板244、584 金属接点246、490、530、650 透明导电层302A、702 微型透镜420,520,626 发光结构440:第一电极450:第二电极472、592、612 电路元件480,560,586 :±真充层540:金属网格542:开口628A、810A:凹穴660 接点810 光子晶体结构层A、B、C:族群G:间隙L 厚度SM 半导体材料
具体实施方式
为了使投影系统的总体积缩小又要具有理想的成像品质，用以显示画面的微型发光二极管阵列中，各个微型发光二极管必须提供准直的出光效果。也就是说，以显示面的法线方向为零度角方向而言，微型发光二极管所发出的光线理想上都要沿着零度角或是小出光角度(例如士 30度)射出。然而，已知的设计中，如图2与图3所示，即使搭配微透镜阵列，微型发光二极管所发出的光线中仍有斜向射出的族群B与族群C的光线。因此，要达到准直的出光效果，微型发光二极管所构成的发光单元阵列仍有改良的必要。以下将举例说明数种发光单元阵列的设计，使发光单元阵列中的微型发光二极管具有准直的出光效果及理想的发光效率。将这些发光单元阵列应用于投影系统有助于提高投影系统的成像品质。当然，以下实施例所描述的发光单元阵列虽以应用于投影系统进行影像的显示为例来说明，但本发明不特别地以此为限。亦即，凡是需要具有准直出光效果的产品或设计都可以应用本发明的发光单元阵列。图如至图4i绘示为本发明第一实施例的发光单元阵列的制作方法。请参照图4a,于基板220上形成掺杂半导体材料薄层22 以及多个光线准直结构224。在本实施例中，基板220例如为蓝宝石基板或其他适合应用于外延制作工艺的基板。这些光线准直结构2M阵列排列于掺杂半导体材料薄层22 上，并且相邻两个光线准直结构2M之间相隔一间隙G。各个光线准直结构2M例如是通过光学镀膜制作工艺制作于掺杂半导体材料薄层22 上。以本实施例而言，光线准直结构2M可以是分布式分布布拉格反射镜(distributed Bragg reflector，DBR)。也就是说，光线准直结构2 是不同折射率的材料层构成的多层膜，例如iTa2O5ZSW2的多层膜、Nb205/Si02的多层膜、Ti02/Si02的多层膜、Al203/Si02的多层膜、IT0/Si02的多层膜。光线准直结构2M所具有的反射率可以由多层膜的叠层数目以及各材料层的厚度来决定。此外，光线准直结构224也可以是全方位反射镜(omni-directional reflector，0DR)，其例如是金属材料层与氧化物材料层所构成的多层膜，例如AVSW2的多层膜、Ag/SiA的多层膜等。接着，请参照图4b至图4d，利用横向外延技术，由掺杂半导体材料薄层22 被间隙G暴露出来的部分成长半导体材料SM,并持续增加半导体材料SM的厚度以构成图4d所示的掺杂半导体材料薄层22%。在此，掺杂半导体材料薄层22 与掺杂半导体材料薄层222b例如由相同掺杂型态的半导体材料SM所构成而定义出第一型掺杂半导体层222。由图4d可知，光线准直结构2M系内嵌于第一型掺杂半导体层222中。然后，请参照图如，在第一型掺杂半导体层222上形成有源层2 以及第二型掺杂半导体层228，其中有源层2 位于第一型掺杂半导体层222与第二型掺杂半导体层2 之间以构成发光结构层230。有源层2 例如是多重量子阱(multiple quantum well, MQff)层，但不以此为限。另外，第一型掺杂半导体层222与第二型掺杂半导体层228的材质例如分别为η型掺杂半导体材料以及ρ型掺杂半导体材料，或是相反。在本实施例所采用的η型掺杂半导体材料以及P型掺杂半导体材料例如分别为η型氮化镓以及P型氮化镓。不过，在其他的实施例中，η型掺杂半导体材料以及ρ型掺杂半导体材料可以是不同掺杂型态的其他半导体材料，诸如氮化铝镓(GaAlN)、氮化铟镓(fe^nN)等其他的III-V族氮化合物。之后，请参照图4f，于发光结构层230上依序形成接触层232以及反射层234，并将发光结构层230、接触层232以及反射层234所构成的叠层图案化成阵列排列的多个微型发光二极管236。在此，反射层234的材质可以是铝、银、金或上述材质的组合，而接触层232的材质可以是镍/金、镍/铝/银、镍/银等。随之，形成保护层238覆盖住这些微型发光二极管236的侧表面，并且形成电极240于各个微型发光二极管236的反射层234上。在本实施例中，接触层232例如是欧姆接触层，而反射层234例如金属反射层。因此，反射层34除了可以提供反射的作用外，也可以提供导电的作用。另外，接触层232配置于反射层234与第二型掺杂半导体层2 之间，所以接触层232的掺杂型态可以与第二型掺杂半导体层228的掺杂型态相同。具体而言，这些微型发光二极管236的第一型掺杂半导体层222例如部分地连接在一起。也就是说，第一型掺杂半导体层222并未在图案化的过程中被完全断开而是连续的膜层。因此，保护层238仅覆盖第一型掺杂半导体层222的侧表面的一部分、有源层2 的侧表面、第二型掺杂半导体层228的侧表面、接触层232的侧表面、反射层234的侧表面以及反射层234远离接触层232的上表面的一部分。然后，请参照图4g，进行一接合制作工艺将各微型发光二极管236上的电极240接合至另一基板对2，其中电极240例如通过金属接点244接合至基板M2，金属接点244可以是金、铜、锡、铟等金属，或其堆叠组合或合金。在本实施例中，基板242例如是设置有电路元件(例如金氧半导体元件、晶体管等)的硅基板。接着，请参照图4h，将基板220自微型发光二极管236上移除，其中移除基板220的方法可以是激光剥离法。基板220自微型发光二极管236上移除后，第一型掺杂半导体层222远离有源层2 的表面例如被暴露出来。随后，请参照图4i，于暴露出来的第一型掺杂半导体层222上形成透明导电层M6以构成发光单元阵列200。透明导电层M6的材质包括铟锡氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)、铟锌氧化物(Indium Zinc Oxide，IZO)、铝锌氧化物(Aluminum Zinc Oxide，AZO)、掺杂镓的氧化锌(Gallium-doped Zinc 0xide，GZ0)、镍/金等。发光单元阵列200是由配置于基板242上的多个微型发光二极管236所构成，也就是说每一个微型发光二极管236即为一个发光单元。在本实施例中，基板242上设置有电路元件，因此各微型发光二极管236可以独立地驱动而发出不同亮度及/或颜色的光线，用于使得发光单元阵列200可以直接地进行影像的显示。换言之，发光单元阵列200可以直接作为显示面板，而非仅提供光源。以本实施例而言，各个微型发光二极管236的部分第一型掺杂半导体层222、有源层226以及第二型掺杂半导体层2 夹于反射层234以及光线准直结构2M之间。光线准直结构2M具有反射光线的性质，且可发出光线的有源层2 位于反射层234以及光线准直结构2M之间。因此，微型发光二极管236的厚度设计在合适的条件下，反射层234以及光线准直结构2M可以构成共振腔使得有源层2 所发出的光线于反射层234以及光线准直结构2M之间发生共振而准直地射出。在一实施例中，微型发光二极管236在反射层234以及光线准直结构2M之间的厚度L与有源层226的发光波长λ符合L = η/2 λ，n为正整数且3 < η < 20。此时，有源层2 所发出的光线可以准直地射出微型发光二极管236。具体而言，图fe与图恥分别为现有微型发光二极管的远场分布图以及本实施例的微型发光二极管的远场分布图。由图如与图恥可知，现有微型发光二极管的远场分布近似为圆形(出光半角约在< 士60°范围内)，而本实施例的微型发光二极管236的远场分布相对狭窄(出光半角可以在< 士30°范围内)。可以见得，本实施例的微型发光二极管236的出光角度相对缩小许多，也就是达到较佳的准直度。另外，图6绘示为本发明第一实施例的发光单元阵列中微型发光二极管搭配了微型透镜所呈现的远场光线强度在不同视角下的分布。由图6可知，在搭配有微型透镜的条件下，本实施例的微型发光二极管236所发出的光线皆集中在0度视角附近。相较于图3所绘示的现有设计而言，本实施例的设计大幅地降低了图3中族群B与族群C的光线的强度。也就是说，本实施例的微型发光二极管236明显地具有较为准直的出光效果，且大幅地降低了斜向射出的光线的强度。进一步而言，表1表示本实施例的微型发光二极管与现有微型发光二极管构成的发光单元阵列的出光效率。
权利要求
1.一种发光单元阵列，包括多个微型发光二极管，阵列排列于一基板上，且各该微型发光二极管包括反射层；发光结构，配置于该反射层上，该发光结构包括依序堆叠的第一型掺杂半导体层、有源层以及第二型掺杂半导体层；以及光线准直结构，其中至少部分该第一型掺杂半导体层、该有源层以及该第二型掺杂半导体层夹于该反射层与该光线准直结构之间。
2.如权利要求1所述的发光单元阵列，其中各该微型发光二极管的该光线准直结构包括分布布拉格反射镜或是全方位反射镜。
3.如权利要求2所述的发光单元阵列，其中各该微型发光二极管的该光线准直结构内埋于该第一型掺杂半导体层中。
4.如权利要求2所述的发光单元阵列，其中各该微型发光二极管的该发光结构在该光线准直结构与该反射层之间的厚度L与该有源层的发光波长λ符合L = η/2 λ，η为正整数且 3 < η < 20。
5.如权利要求1所述的发光单元阵列，其中该些微型发光二极管的该些光线准直结构连接成连续的一分布布拉格反射层。
6.如权利要求1所述的发光单元阵列，其中各该微型发光二极管的该光线准直结构具有多个凹穴。
7.如权利要求6所述的发光单元阵列，还包括多个分布布拉格反射镜，各该分布布拉格反射镜填充于其中一个凹穴中。
8.如权利要求6所述的发光单元阵列，其中该光线准直结构的该些凹穴呈现周期性排列以构成为一第一光子晶体结构层。
9.如权利要求8所述的发光单元阵列，其中该第一光子晶体结构层的该些凹穴中填有介电材料。
10.如权利要求8所述的发光单元阵列，其中各该微型发光二极管还包括第二光子晶体结构层，配置于该微型发光二极管的该发光结构与该反射层之间。
11.如权利要求10所述的发光单元阵列，其中该第二光子晶体结构层所具有的多个凹穴中填充有反射材料，且该反射材料与该反射层为相同材质。
12.一种投影系统，包括显示单元阵列，包括多个微型发光二极管，在一基板上排列成阵列，且各该微型发光二极管包括反射层；发光结构，配置于该反射层上，该发光结构包括依序堆叠的第一型掺杂半导体层、有源层以及第二型掺杂半导体层；以及光线准直结构，其中至少部分该第一型掺杂半导体层、该有源层以及该第二型掺杂半导体层夹于该反射层与该光线准直结构之间；以及投影透镜组，位于该显示单元阵列的显示光线的光径上。
13.如权利要求12所述的投影系统，其中各该微型发光二极管的该光线准直结构包括分布布拉格反射镜或是全方位反射镜。
14.如权利要求13所述的投影系统，其中各该微型发光二极管的该光线准直结构内埋于该第一型掺杂半导体层中。
15.如权利要求13所述的投影系统，其中各该微型发光二极管的该发光结构在该光线准直结构与该反射层之间的厚度L与该有源层的发光波长λ符合L = η/2 λ，η为正整数且 3 < η < 20。
16.如权利要求12所述的投影系统，其中各该微型发光二极管的该光线准直结构具有多个凹穴。
17.如权利要求16所述的投影系统，还包括多个分布布拉格反射镜，各该分布布拉格反射镜填充于其中一个凹穴中。
18.如权利要求第16项所述的投影系统，其中该光线准直结构的该些凹穴呈现周期性排列以构成为一第一光子晶体结构层。
19.如权利要求18所述的投影系统，其中该第一光子晶体结构层的该些凹穴中填有介电材料。
20.如权利要求18所述的投影系统，其中各该微型发光二极管还包括第二光子晶体结构层，配置于该微型发光二极管的该发光结构与该反射层之间。
21.如权利要求20所述的投影系统，其中该第二光子晶体结构层所具有的多个凹穴中填充有反射材料，且该反射材料与该反射层为相同材质。
22.如权利要求12所述的投影系统，还包括多个微型透镜所构成的一微透镜阵列，各该透镜配置于其中一个微型发光二极管上。
全文摘要
本发明公开一种发光单元阵列与投影系统，该发光单元阵列包括多个微型发光二极管。这些微型发光二极管于基板上排列成阵列，且各微型发光二极管包括反射层、发光结构以及光线准直结构。发光结构配置于反射层上，发光结构包括依序堆叠的第一型掺杂半导体层、有源层以及第二型掺杂半导体层。至少部分第一型掺杂半导体层、有源层以及至少部分第二型掺杂半导体层夹于反射层与光线准直结构之间。
文档编号G03B21/14GK102386200SQ20111024563
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月25日 优先权日2010年8月27日
发明者叶文勇, 赵嘉信, 黄承扬 申请人:财团法人工业技术研究院