厲害了！速來圍觀LED最新技術(shù)進展

    只有想不到的，沒有做不到的。當前，技術(shù)日新月異，LED也正在不斷產(chǎn)生新的突破和創(chuàng)新。且來看看LED最 新技術(shù)發(fā)展突破。

    高性能鈣鈦礦量子點，應(yīng)用于發(fā)光二極管

    廣東省科學院半導體研究所新型顯示團隊與中科院長春應(yīng)用化學研究所相關(guān)團隊合作，開發(fā)出高性能鈣鈦礦量子點并成功應(yīng)用于發(fā)光二極管。相關(guān)研究近日發(fā)表于Journal of Materials Chemistry C。

    鈣鈦礦量子點是近幾年發(fā)展起來的新型光電材料，由于其具有熒光量子效率高、亮度高、缺陷容忍度高以及色域滿足BT.2020標準等優(yōu)點，在發(fā)光二極管（LED）和新型顯示領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但鈣鈦礦量子點由于其比表面積大，表面缺陷和表面有機配體的絕緣特性對其熒光量子效率、光電器件性能等具有顯著的影響。

    鎵離子鈍化鈣鈦礦量子點缺陷及其發(fā)光二極管示意圖

    基于以上問題，省科學院半導體研究所新型顯示團隊與中科院長春應(yīng)用化學研究所相關(guān)團隊合作，利用高價金屬鎵離子對全無機鈣鈦礦量子點CsPbBr3表面進行鈍化修飾，制備出具有高光電效率的CsPbBr3電致發(fā)光器件。

    該工作重點研究了金屬鎵離子源對CsPbBr3量子點的表面鈍化機制和性能影響。研究結(jié)果表明，金屬鎵離子的修飾顯著的降低了CsPbBr3量子點表面缺陷態(tài)密度，提高了熒光量子效率，同時鎵離子對量子點表面有機配體的部分替代提高了載流子傳輸能力。相比未經(jīng)過鎵離子修飾的量子點器件，基于該量子點材料制備的電致發(fā)光器件最 高亮度提高了2倍，電流效率提高了9倍以上，器件壽命提高了7倍以上。該方法研究了量子點缺陷對器件性能影響的問題，發(fā)展了該體系量子點缺陷鈍化的方法。

    相關(guān)研究成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊Journal of Materials Chemistry C，半導體所王建太博士為論文第 一作者，學術(shù)帶頭人龔政博士和長春應(yīng)化所謝志元研究員為聯(lián)合通訊作者。該方法解決了量子點表面缺陷對器件性能影響的問題，發(fā)展了該體系量子點缺陷鈍化的方法。

    論文信息：Wang, J., Xu, Y., Zou, S., Pang, C., Cao, R., Pan, Z., Guo, C., Hu, S., Liu, J., Xie, Z., & Gong, Z. (2021). Effective defect passivation of CsPbBr3 quantum dots using gallium cations toward the fabrication of bright perovskite LEDs. Journal of Materials Chemistry C.

    MOF薄膜的鈣鈦礦納米晶體，可制造LED

    鈣鈦礦納米晶體是發(fā)光二極管 (LED) 的絕佳候選材料之一。然而，它們在固體薄膜中不穩(wěn)定，往往會降解為塊體材料，這極大的降低了它們用于LED的潛力。洛斯阿拉莫斯國家實驗室Wanyi Nie和Hsinhan Tsai等人證明了穩(wěn)定在金屬有機框架 (MOF) 薄膜中的鈣鈦礦納米晶體可以制造明亮且穩(wěn)定的LED。

    MOF薄膜的鈣鈦礦納米晶體可以在持續(xù)的紫外線照射、熱和電應(yīng)力下保持光致發(fā)光和電致發(fā)光。光學表征和X 射線光譜表征證明了鈣鈦礦-MOF納米晶體的強發(fā)射源于局部載流子復合。

    由鈣鈦礦-MOF納米晶體制成的明亮 LED獲得了超過15%的最大外量子效率和超過 105 cd m-2 的高亮度，穩(wěn)定優(yōu)異。在LED工作過程中，性能穩(wěn)定超過50小時。同時，納米晶體通過MOF基體的保護，可以很好地保存，沒有離子遷移或晶體混相。

    Tsai, H., Shrestha, S., Vilá, R.A. et al. Bright and stable light-emitting diodes made with perovskite nanocrystals stabilized in metal–organic frameworks. Nat. Photon.  (2021).

    韓國科學家開發(fā)全新LED技術(shù)

    雖然現(xiàn)在大多數(shù)智能手機的屏幕都內(nèi)置了觸覺反饋，但整個屏幕都會發(fā)出嗡嗡聲，限制了該技術(shù)的應(yīng)用。然而，一種新的觸摸屏薄膜，利用LED只在特定區(qū)域振動。在普通的智能手機或平板電腦中，振動是由一個小型電機產(chǎn)生的。這對于提醒用戶注意來電或信息等任務(wù)是有效的。不過，振動是在整個屏幕表面感受到的,它們不能從顯示屏內(nèi)的精確位置發(fā)出。

    韓國電子通信研究院的科學家們已經(jīng)開始著手解決這一缺陷，他們開發(fā)了一種柔性顯示器，由鋪在微小的低功耗近紅外LED網(wǎng)格上的觸摸屏薄膜組成。

    薄膜上涂有一種聚合物，它能吸收光能，將其轉(zhuǎn)化為熱能，然后由于產(chǎn)生的熱量而膨脹和彎曲。

    當特定的LED在特定區(qū)域內(nèi)快速閃爍時，這些LED上方的薄膜會在交替升溫和降溫時迅速彎曲和變平。用戶的指尖可以感受到這個動作，這是一種局部的振動。

    現(xiàn)在科學家們希望，一旦進一步發(fā)展，這項技術(shù)可以投入應(yīng)用，比如為盲人提供可改變的盲文顯示器，或者在屏幕圖像中，用戶可以感受到各種材料的不同質(zhì)感。

    科學家們目前正在努力提高光到振動轉(zhuǎn)換過程的效率，并降低該技術(shù)的能源需求。

    半極化Micro LED技術(shù)取得突破

    近期，臺灣大學林恭如教授團隊、陽明交通大學郭浩中教授團隊及東京大學暨日本學術(shù)振興會程志賢特別研究員合作開發(fā)帶有奈米光柵結(jié)構(gòu)的半極化綠光2x2微型發(fā)光二極管（Micro LED）陣列并進行高速傳輸封裝以實現(xiàn)高速無線可見光傳輸其傳輸位元率可達5 Gbit/s，如圖一所示。在綠光2x2 Micro LED陣列的特殊設(shè)計下可以有效抑制量子局限史塔克效應(yīng)（Quantum-confined Start effect）以擁有低極化相關(guān)電場和平坦的量子井能帶。

    圖一（a）奈米結(jié)構(gòu)半極化綠光Micro LED元件示意圖；

    （b）（c）2х2 Micro LED元件點亮與未點亮在光學顯微鏡下的影像

    Micro LED除了照明以及顯示技術(shù)，還能將訊號加在Micro LED上，使其作為光源傳輸，賦予一個兼具照明以及資料傳輸?shù)耐ㄓ崙?yīng)用，若照明波段落在可見光的，我們就將其稱為可見光通訊（Visible Light Communication, VLC）。由于Micro LED具有低功耗以及較高的調(diào)變頻寬，在可見光通訊領(lǐng)域會有很大的潛力。

    而可見光通訊需要的成本來自于發(fā)射元件、接收元件、驅(qū)動電路、用于可見光通訊的專用芯片等，然而價格限制了可見光通訊的發(fā)展，因此，需要不斷的改進制程，降低生產(chǎn)成本，才能使光通訊得以大規(guī)模推廣，通過市場帶動技術(shù)發(fā)展，規(guī)�；�生產(chǎn)促進光通訊成本降低。

    為了解決芯片縮小因表面缺陷造成LED光電特性不佳的問題，郭浩中教授研究團隊導入原子層鈍化沉積技術(shù)（Atomic layer deposition, ALD）來提升元件輻射復合的效率，減少漏電流的產(chǎn)生，開發(fā)出高性能的高速綠光Micro LED元件。此種效應(yīng)使得綠光2x2 Micro LED陣列表現(xiàn)出2.5 V的啟動電壓以及在電流密度1 A/cm2操作下得到0.3 mW的輸出功率。

    此外，此綠光2x2 Micro LED陣列相較于一般傳統(tǒng)LED元件展現(xiàn)出較小的波長偏移。另一方面，50m的大孔徑設(shè)計可以有效降低元件的電容宜以提升整體3-dB調(diào)變頻寬及在更大的偏壓表現(xiàn)出-1dB的功率壓縮。綠光2x2 Micro LED陣列設(shè)計相較于單顆Micro LED元件也可有效降低整體的元件借以降低功耗。

    在搭配特定高速傳輸封裝使得綠光2x2 Micro LED陣列在非歸零開關(guān)鍵控格式訊號（Non-Return-to-Zero On-OFF Keying）傳輸下，其傳輸位元率可達1.5 Gbit/s。如圖二（a）所示；

    圖二（a）-（f） NRZ-OOK傳輸下的眼圖分析，其傳輸位元率可達1.5 Gbit/s。

    而在寬帶正交振幅調(diào)變-正交分頻多工格式傳輸系統(tǒng)下，使用8階正交振幅調(diào)變-正交分頻多工格式訊號且采樣率為16 GS操作下，其誤碼率可達3.3×10-3，總傳輸位元率達4.5 Gbit/s。綠光2x2 Micro LED陣列使用加載離散多音（Bit-Loaded Discrete Multitone）格式傳輸在可以超過5 Gbit/s的傳輸位元率，為目前已知綠光調(diào)變最 高的總傳輸位元率，如圖三所示。

    圖三、比較利用NRZ-OOK與OFDM調(diào)變方式達到的總傳輸位元率。

    此次工作中顯示綠光2x2 Micro LED陣列擁有更大的潛力，當與手持移動設(shè)備封裝結(jié)合以應(yīng)用于可見光通信或光無線通信領(lǐng)域的未來應(yīng)用。相關(guān)研究成果被2021年被頂尖光電期刊《Photonics Research》所接受。

    白光照明VLC研究上，陽明交通大學郭浩中教授團隊與與美國新創(chuàng)公司Saphlux、耶魯大學、廈門大學的研究人員合作，采用半極化（Semipolar）的Micro LED結(jié)合提出了一種用于全彩顯示的PNCs-Micro LED （Perovskite NCs, PNCs）顯示技術(shù)，該元件是使用半極性（20-21）藍色Micro LED陣列進行激發(fā)，該陣列具有發(fā)射綠色的CsPbBr3和發(fā)射紅色的CsPbBrI2 PNCs，如圖四所示。接著在外層披覆SiO2以增強其穩(wěn)定性，使PNCs可以在老化測試超過1300小時后成功保持其光強度。

    圖四、可撓式色轉(zhuǎn)換層的制作流程與PNCs-Micro LED白光元件的影像圖。

    此外，半極性（20-21）Micro LED陣列具有良好的波長偏移特性，在不同電流密度下，與具有同對數(shù)量子阱（MQW）設(shè)計的c-plane Micro LED相比，波長偏移僅為2.7 nm，如圖五（c）。PNCs產(chǎn)生的紅色和綠色顯著提高了色純度和色域，可達到127.23% NTSC標準色域面積占比的和95.00% Rec. 2020，如圖五（b）。

    同時也提供655 MHz頻寬和1.2 Gbp/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，如圖五（a）（d）-（f）所提出的PNC-Micro LED具有色偏小、色域大、頻寬高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，相關(guān)研究成果被2021年被頂尖光電期刊《Photonics Research》所接受。

    圖五、（a）不同操作電流下的半極化藍光Micro LED頻率響應(yīng)；（b） PNCs-Micro LED的色域面積圖；（c）半極化藍光Micro LED在不同操作電流密度條件下的波長位移；（d）-（f） NRZ-OOK傳輸下的眼圖分析，其傳輸位元率可達1.2 Gbit/s。

    晶能光電成功制備硅襯底GaN基Micro LED陣列

    日前，晶能光電報道成功制備了紅、綠、藍三基色硅襯底GaN基Micro LED陣列，在Micro LED全彩芯片開發(fā)上前進了關(guān)鍵一步。

    微米尺寸的MicroLED制備已經(jīng)脫離了普通LED工藝而進入了IC制程。大尺寸硅襯底GaN晶圓具有低成本、兼容IC制程、易于襯底剝離等核心優(yōu)勢，已成為MicroLED制備的主流技術(shù)路線。在國際上，Aledia、Plessey、ALLOS 、STRATACACHE等公司都在專注于硅襯底MicroLED開發(fā)。主要消費電子產(chǎn)業(yè)巨頭更是在這一領(lǐng)域投入大量資源，以期在AR、VR等可穿戴設(shè)備的巨大市場中拔得頭籌。

    Micro LED走向大規(guī)模應(yīng)用要求高良率和高光效的紅綠藍三基色MicroLED芯片。目前綠光和藍光的GaN材料體系已經(jīng)成熟，并滿足MicroLED制程開發(fā)的要求。但對于紅光MicroLED，傳統(tǒng)的紅光AlInGaP體系因為其材料較脆和側(cè)壁上非輻射復合嚴重，面臨著良率和光效兩方面的重大技術(shù)瓶頸。所以，開發(fā)InGaN基紅光LED，特別是大尺寸硅襯底上InGaN基紅光LED被業(yè)界寄以厚望。

    晶能光電公司的芯片總監(jiān)黃濤介紹，本次報道的硅襯底InGaN紅、綠、藍Micro LED陣列的像素點間距為25微米，像素密度為1000PPI，在10A/cm2電流密度下的峰值波長分別為650nm、531nm、和445nm。InGaN紅光芯片的外量子效率（36mil，650nm峰值波長）為3.5%，EL的半高寬為70nm。晶能光電這一成果發(fā)布，標志其成為國內(nèi)首家實現(xiàn)硅襯底GaN基三基色micro LED的生產(chǎn)企業(yè)。

    圖為晶能光電展示的硅襯底GaN基RGB Micro LED陣列

    晶能光電公司外延副總裁付羿表示，晶能光電是全球最大的硅襯底GaN基LED生產(chǎn)企業(yè)，十余年來持續(xù)引進人才以保證硅襯底GaN產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級迭代。目前晶能光電的硅襯底GaN基LED產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋了從365nm到660nm的可見光范圍，并且實現(xiàn)了優(yōu) 秀的量產(chǎn)良率、波長集中度、光效、和可靠性。2018年，晶能光電開始硅襯底micro LED開發(fā)。付羿表示，晶能非常重視硅襯底GaN基Micro LED在AR/VR產(chǎn)業(yè)上的巨大應(yīng)用前景，但必須要持續(xù)努力去解決諸如InGaN紅光光效、發(fā)光半高寬、和最終的全彩化方案等關(guān)鍵問題，而且需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同，才能實現(xiàn)Micro LED顯示技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用。