光电发光装置和制造方法与流程

本申请要求德国专利申请de102018132542.8的优先权，其公开内容通过参考并入本文。

本发明涉及一种光电发光装置以及用于制造光电发光装置的方法。

棱边长度小于100μm并且典型地小于25μm的半导体光源例如从us6,410,940b1中已知并且在实施方式中作为p-n发光二极管被称作为微型led(μled)。通常基于氮化铟镓(ingan)的具有至少一个量子阱的微型led相对于常规大小的发光二极管或基于碳的发光二极管(oled)具有更高的能量效率并且同时使用寿命更长。相应地，其对于移动设备的高分辨率显示器和对于大尺寸光电子发光设备的应用相应地是有利的。

能够将微型led与波长转换器连接成封装件，以对光发射进行光谱匹配。

从us8,928,021b1中已知一种装置，其具有至少一个微型led、遮盖所述微型led的光导结构和具有作为波长转换器的具有量子阱的磷光体材料的包覆件。

wo2011/082497a1公开一种具有至少一个底侧发射的led作为光源的光电子封装件，所述光源设置在透明载体衬底的一侧上。在与光源相对置的衬底侧上存在用于光谱匹配对于观察者可见的光的磷光体层。此外，描述如下实施替选方案，对于所述实施替选方案由led发出的电磁辐射在入射到磷光体层中之前首先射到后侧的反射器上。

此外，已知led处的初级光学装置、直接连接于所述初级光学装置的光导元件以及与led形成半导体发光装置的反射的射束引导装置。例如参考us2016/0149101a1、de102017104871a1、de102011003988a1、de102009033287a1、de102010009717a1、de102011015726a1、de102016106494a1和de102013218268a1。

在具有低封装密度的典型应用中，当观察单个像素面时，微型led的小面积的有源层导致点状照明的区域和暗区域之间存在明显差异。这种所谓的门影效应(screen-door-effect纱窗效应)在小观察间距的情况下进而尤其在使用如vr眼镜或具有大像素间距的视频墙的应用中尤其显著地显示。如果像素内的照度差异在显示器的矩阵排列上周期性地持续，则子像素结构通常被察觉和感知为是干扰性的。

为了解决这个问题，us2017/0062674a1提出：借助导光体封住竖直发射的微型led，所述光导体在观察方向上充当漫射器和射束扩展透镜。在此，光导体在光学隔离器之间延伸，所述光学隔离器将相邻像素的照明彼此分开。

此外，us2016/0178907a1描述一种半导体显示器，对于所述半导体显示器将由小面积的光源朝观察者方向放射的光经由进行扩展的漫射器输送给填充像素的透镜，所述透镜在进一步的射束走向中产生基本上平行的射束引导。可以从ep3240037a1中得出用于借助于由微透镜和相关联的遮光板构成的装置在观察方向上在半导体光源前方减小门阴影效应的另一建议。

ep3396434a1还提出：在仅部分填充像素面的光源上方设置衍射光栅以扩大照明面。wo2017/139245a1描述用于改进像素照明度的另外的折射光学装置。wo2018/026851a1和wo2013/059489a1列举替选方案，其中wo2018/026851a1公开相位光学部件的使用。wo2013/059489a提出：在观察方向上以匹配于光产生的张角的间距将板形的半透明的漫射器元件设在小面积的光源前方，使得像素被照明，但是还光学上显得与相邻像素分开。这导致主放射方向上的大型的显示器并且导致强度损失。此外，上述用于减少门影效应的措施需要与进行定位的光学附加部件分开，所述附加部件使包括微型led的光电发光装置的制造变难。

本发明的一个目的是：对于具有占据像素部分面的至少一个微型led的光电发光装置，通过每像素尽可能少的需单独操作的部件减小门影效应。在此，总的装置应当在观察方向上具有小的结构深度。附加地，提出一种用于制造光电发光装置的方法。

该目的通过权利要求1的特征或通过权利要求14的特征实现，只要其被视为独立权利要求。关于制造方法的目的通过权利要求15的特征来实现。

根据本发明的光电发光装置包括具有透明或半透明的载体衬底的至少一个像素，在所述载体衬底上可选地设置有像素微控制单元和具有至少一个微型led的半导体发光装置，所述微型led在像素的部分面之上延伸，其中，半导体发光装置的主放射方向对准到在观察方向上设置在透明或半透明的载体衬底后方的背向散射的面元件，并且其中，半导体发光装置包括射束成形元件。

在根据本发明的光电发光装置中，能够通过如下方式利用从小型微型led发出的电磁辐射实现像素的均匀和大面积照明：即观察者代替光源而观察被照明的背向散射的面元件。在此，观察者穿过透明或半透明的载体衬底观察，进而一定程度穿过一个或更多个像素的平面观察。

在根据本发明的光电发光装置中，像素包括透明的载体衬底，所述载体衬底也能够部分透明，即半透明地构成，并且能够由例如玻璃、蓝宝石或透明聚合物制成。优选地，在透光的载体衬底上设置有像素微控制单元和具有至少一个微型led的在像素的部分面之上延伸的半导体发光装置，使得半导体发光装置的主放射方向指向在观察方向上设置在透明载体衬底后方的背向散射的面元件。当前情况下，观察方向被理解为始于观察者眼睛到被照明的像素面的观察方向。观察者在此处于像素面之前，所述像素面因此处于观察者与面元件之间。

优选地，没有直接的光发射从具有至少一个微型led的半导体发光装置到达至观察者眼睛，使得只有从被照亮的、背向散射的面元件发出并穿过透明或半透明的载体衬底的电磁辐射是可见的。因此，半导体发光装置产生阴影，但是所述阴影由于所使用的微型led的面积延伸有限而假定为比被照明的像素面小并且对于观察者无法察觉。

在本发明的一个设计方案中，设置在透明或半透明载体衬底上的用于控制微型led的另外的部件由至少部分透明的材料形成。这尤其涉及可选的像素微控制单元与微型led之间的控制线路，所述控制线路有利地由导电材料的层复合件构成，所述材料同时具有高的光学透射度。为此目的，例如能够使用具有碳纳米管和透明的导电聚合物的结构化的层。替选地，例如，为此目的能够选择透明导电氧化物(tco)，例如氧化铟锡、氧化铟锌或in2o3。

在另一实施变型形式中，印制导线包括例如不透明的金属层。仅几微米宽的结构仅会略微降低透明或半透明的载体衬底的透光性并且对于观察者不可见。

为了进一步减少阴影投射，能够将微型led的像素微控制单元设置在相邻像素之间的光学隔离器上方的像素边缘区域中。

为了减小观察方向上的结构深度，半导体发光装置和背向散射的面元件之间在主放射方向上的距离能够优选地最高为像素对角线的三分之一、尤其是优选地最大为四分之一。因此，能够在透明或半透明的载体衬底与背向散射的面元件之间使用具有相应窄基面的平坦放置的间隔保持件，所述间隔保持件简化光电发光装置的制造并且所述间隔保持件附加地用作相邻像素之间的光学隔离器。

在制造技术方面的优点能够在于：显微小的间隔保持件在单独的微结构化工艺中制造并且对应于半导体发光装置借助于自动化的微操作装置位置精确地安置在透明的或半透明的载体衬底上并且与其材料配合地连接。在随后的制造步骤中，将装配好的、透明的或半透明的载体衬底然后安置到背向散射的面元件上。

为了提供半导体发光装置与背向散射的面元件之间的与背向散射的面元件的大面积均匀照明有关的小的距离，根据本发明的半导体发光装置包括射束成形元件，为此优选地在运行过程中像素的面的至少80％以最大辐射强度的至少50％发射。

针对一个示例性的实施方式，使用竖直发射的微型led并且射束成形元件包括使半导体发光装置的发散度扩大的微型光学装置。例如，微型光学装置能够具有棱镜型材和/或自由形状锥体和/或小透镜阵列。当前情况下，将小透镜阵列理解为由一致焦距长度的微透镜(或至少小透镜)构成的矩阵布置。替选地，射束成形元件能够具有纳米光学部件，例如构成为光子晶体的波导。针对另一示例性的实施例，使用侧向发射的微型led，并且射束成形元件包括组合的折射反射微光学器件，以放大和均匀化背向散射的面元件上的照明面。

根据本发明的一个改进设计，射束成形元件的表面具有散射颗粒。替选地或附加地，能够将漫射器集成到半导体发光装置中，所述漫射器的设置匹配于所使用的微型led的放射特性，使得光传播被加宽并且优选适配于背向散射的面元件上的例如矩形面的非圆形照明。此外，能够在半导体发光装置中设置有吸收辐射的部件，所述部件减弱局部照明最大值的形成。

还可以在半导体发光装置中容纳波长转换器，这引起形成可简化操作的微结构单元。如果在半导体发光装置内存在具有不同发射光谱的多个微型led，则这种实施方式是特别有利的。借此，得到针对色彩不同的光源(例如rgb装置)的替选的实施方式，所述光源通过将光谱不同的波长转换器分配给微型led来实现。

如果半导体发光装置之内存在多个微型led，则能够将所述微型led封装在公共的射束成形元件中。作为此简化的实施方式的替选方案，能够针对半导体发光装置的每个微型led设有单独的射束成形元件，使得能够更精细地调整照明调整。

针对一个优选的实施例，分配给至少一个微型led的射束成形元件与背向散射的面元件间隔开。在透明或半透明的载体衬底与像素的向回散射的面元件之间的针对该设计方案存在的腔室能够被抽真空或者填充有空气。还能够考虑的是：用光学可透过的材料部分地或完全地填充透明或半透明的载体衬底与背向散射的面元件之间的区域，对于有利的改进形式，所述材料包括光学散射材料。该填充物形成光导并且能够包括浸渍液体、例如由乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(eva)或热塑性聚氨酯(tpu)制成的膜元件、或由硅树脂制成的材料层。

针对背向散射的面元件的一个有利的实施方式，所述面元件至少在逐个像素地被照明的区域中具有平坦的表面。所述平坦的表面对于优选的实施方式漫散射地布设，其中，对于可能的实现方案，在具有低折射率材料(即例如环氧树脂、硅树脂、聚丙烯酸酯或低折射率的玻璃)中存在具有氧化钛颗粒的覆层。替选地，尤其是在高折射基质中能够使用氧化铝、氧化锆和氟化镁或有机颗粒(例如甲基丙烯酸甲酯)。

如果应实现在不运行时呈现黑色并产生高明暗对比度的光电发光装置，则例如能够通过金属覆层实现的定向反射构成的、背向散射的面元件会是有利的。

为此或其他目的，能够在透明或半透明的载体衬底上设置具有偏振器和λ/4小板的层结构，所述层结构将来自外部的散射光首先线性偏振并转换成偏振的辐射。借助定向反射，出现圆偏振的反转，使得通过层结构的背向反射在遍历λ/4小板后在偏转器处被阻止。

根据本发明的、在此也在独立权利要求中要求保护的一个改进形式，在透明或半透明的载体衬底与背向散射的面元件之间设置有间隔保持件，所述间隔保持件附加地用作为相对于相邻像素的光学隔离器。所有在此提出的特征能够单独或组合地也设置在该改进形式中。

因此，间隔保持件不仅设置用于设定载体衬底与背向散射的面元件之间的限定的距离，而且其也还用作为相邻像素之间的光学隔离器。由此能够减少或避免相邻像素之间的“串扰”。

能够提供间隔保持件的漫散射的表面设计，使得所述间隔保持件附加地有助于均匀化背向散射的面元件上的照明。

针对一个优选的设计方案，背向散射的面元件可以在像素内具有局部适配的反射率。如果在一像素中内存在不同颜色特征的多个微型led，则能够通过选择背向散射的面元件的覆层将高反射率限制于如下部分区域，对于所述部分区域存在色彩相同的照明。像素之内的光谱不均匀照明的部分区域的可察觉性能够通过对具有减小的反射率的背向散射的部分区域的所述部段的覆层或表面设计来抑制。此外，能够分级地调整像素的背向散射的面元件的反射率。当应附加地应补偿局部不均匀的照明强度时，这种实施方式是尤其有利的。

下面结合附图阐述本发明的示例性的设计变型形式。所述附图分别示意地如下示出：

图1示出根据本发明的光电发光装置的第一变型形式。

图2示出根据本发明的光电发光装置的第二变型形式。

图3以侧视图示出根据本发明的光电发光装置的第三变型形式的局部截面。

图4以前视图示出根据本发明的光电发光装置的第三变型形式的局部截面。

图5以侧视图示出根据本发明的光电发光装置的第四变型形式的局部截面。

图6以俯视图示出根据本发明的光电发光装置的第五变型形式的局部截面。

根据图1的根据本发明的光电发光装置1的第一实施变型形式的视图被示意性地简化。光电发光装置1包括像素2，所述像素具有透明或半透明的载体衬底3，在所述载体衬底上设置有半导体发光装置4，所述半导体发光装置具有在像素2的部分面之上延伸的至少一个微型led5.1、5.2、5.3。未详细示出可选的像素微控制单元，其中，像素控制的功能也能够在上级的装置中提供。

在所示的示例中示出三个微型led，其中，能够借助于微型led5.1产生红光，能够借助于微型led5.2产生绿光，能够借助于微型led5.3产生蓝光。因此，该示例是具有三个微型led的rgb像素。通过相应地控制微型led5.1、5.2、5.3，能够对应于rgb颜色模型生成多种颜色。

半导体发光装置4的主放射方向6指向在观察方向7上设置在透明或半透明载体衬底3后方的背向散射的面元件14。因此，主放射方向6至少基本上平行于观察方向7。

针对所示出的像素2，因此在透明或半透明的载体衬底3的背侧上沿观察方向7存在具有三个微型led5.1、5.2、5.3的半导体发光装置4。在此，半导体发光装置4仅在像素2的部分面之上延伸，使得通过半导体发光装置4以主放射方向6照明的、背向散射的面元件14穿过透明或半透明的载体衬底3朝观察者发射大面积的电磁辐射。

背向散射面元件14具有带有反射层15的平坦的表面，所述反射层针对未详细示出的第一设计方案能够漫反射地构成并且尤其由材料复合物构成，所述材料复合物由具有低折射率的层材料构成，所述低折射的层材料例如为环氧树脂、硅树脂、聚丙烯酸酯或低折射率的玻璃和氧化钛颗粒。针对所示的第二实施方式，存在通过金属化形成的定向反射的层15，所述定向反射层禁止从外入射的光的再次射出，以改善与透明或半透明的载体衬底3上的由偏振器和λ/4小板22构成的层结构相关的暗对比度。

为了均匀照明背向散射的面元件14，半导体发光装置4包括射束成形元件8，所述射束成形元件借助于使半导体发光装置4的发散度放大的微光学装置9.1、9.2包围三个竖直的、即沿主放射方向6发射的微型led5.1、5.2、5.3。通过加强半导体发光装置4的侧向的放射，即使对于透明或半透明的载体衬底3与背向散射面元件14之间的小距离，也能够实现对可见的发光面的大尺寸且均匀的照明，使得能够在在透明或半透明的载体衬底3与背向散射的面元件14之间使用设计为微元件的间隔保持件23.1、23.2。所述间隔保持件附加地用作未详细示出的相邻像素的光学隔离器。

间隔保持件23.1、23.2例如能够通过单独的结构化工艺制造为微型模块，用于简化制造对应于具有微型led5.1、5.2、5.3的半导体发光装置4的根据本发明的光电发光装置1，随后将其位置精确地设置在透明或半透明载体衬底3上并且与该衬底材料配合地连接。

在背向散射的面元件14被大面积均匀照明的同时，射束成形元件8实现在主放射方向6上减小半导体发光装置4与背向散射的面元件14之间的距离，该距离优选最大为像素对角线的三分之一、尤其是最大为四分之一，其中在运行中像素的面的至少80％以至少50％的最大辐射强度发射。优选地，将具有低反射率的覆层24.1、24.2设置到背向散射的面元件14的部分区域上，以均匀化光谱发射，对于所述子区域存在光谱的不均匀的照明。为了清楚起见，所述子区域在示意性简化的视图中超尺寸示出，其中，借助于射束成形元件8和微型led5.1、5.2、5.3的集中设置能够将所述子区域的范围限制在小的面上。

图2示出根据本发明的光电发光装置1的第二实施变型形式的示意性简化图，其中，与第一实施变型形式一致的部件用相同的附图标记表示。对于所示的实施例，透明或半透明的载体衬底3与背向散射的面元件14之间的区域填充有半光导元件25，其中，所述载体衬底在背侧承载具有微型led5.1、5.2、5.3和射束成形元件8的半导体发光装置4。为此目的，能够使用浸渍液体、例如由乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(eva)或热塑性聚氨酯(tpu)制成的膜元件、或由硅树脂制成的材料层。

此外，图2中所示的实施变型形式包括间隔保持件23.3，所述间隔保持件放置到背向散射的面元件14上或沉积在所述面元件上和/或被结构化。间隔保持件23.3用作承载部件并且用于相邻像素的光学定界。间隔保持件23.3不必在整个像素周向之上延伸。取而代之，附加地，在背向散射的面元件14上存在至少一个光学隔离器26，其中，该光学隔离器26具有对屏障功能光学有效的但不延伸至透明或半透明的载体衬底3的高度延伸。对于一个可行的实施方式，间隔保持件23.3和/或光学隔离器26通过光控电泳沉积(epd)或通过3d打印形成在背向散射的面元件14上。

在图3和图4中以示意性简化的侧视图和前视图示出用于以串联方式设置的微型led5.1、5.2、5.3的半导体发光装置4的有利设计的微光学器件9.1。当在微型led5.1、5.2、5.3的串联设置的方向上观察时，可以看到的扩展射束的棱镜型材10。

附加地，半导体发光装置4包括漫射器13，其中，由微型led5.1、5.2、5.3构成的微结构单元、漫射器13和棱柱成形的微光学装置9.1借助于反射粘合剂层12固定在透明或半透明的载体衬底3处。

为了说明第四变型形式，图5示出具有三角形设置的不同颜色的三个微型led5.1、5.2、5.3的半导体发光装置4，所述微型led由微光学器件9.2覆盖，该微光学器件形成为具有在表面上或在体积中的散射颗粒16.n的自由形状锥体11。对于未详细示出的实施方式，在微光学器件9.2的体积中存在散射颗粒。

图6示意性简化地示出半导体发光装置4的第五变型形式，所述半导体发光装置具有不同颜色的三个微型led5.1、5.2、5.3，所述微型led构成为侧向发射器。接收由微型led5.1、5.2、5.3发出的光的射束成形元件8包括纳米光波导28和与其横向邻接的组合的折射反射微光学器件27.1、27.2。

对于半导体发光装置4的未详细示出的改进形式而言，所述半导体发光装置能够包括波长转换器。其他的设计方案从从属权利要求中得出。

附图标记列表

1光电发光装置

2像素

3透明或半透明的载体衬底

4半导体发光装置

5.1-5.3微型led

6主放射方向

7观察方向

8射束成形元件

9.1、9.2微光学器件

10棱镜型材

11自由形状锥体

12粘结剂层

13漫射器

14背向散射的面元件

15反射层

16.n散射颗粒

20公共的射束成形元件

22由偏振器和λ/4小板构成的层结构

23.1、23.2间隔保持件

23.3间隔保持件

24.1、24.2具有低反射率的覆层

25导光元件

26光学隔离器

27.1,27.2组合的折射反射微光学装置

28纳米光波导