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Micro LED红光显示为什么是难题?

Felix分析 来源:电子发烧友网 作者:吴子鹏 2024-02-04 00:07 次阅读

电子发烧友网报道(文/吴子鹏)2023年底,清华大学与中国北京凝聚态物理国家实验室宣布,研究团队通过使用独立式氮化镓衬底(freestandinggalliumnitridesubstrates(FGS)),提升了红光氮化镓(InGaN)MicroLED器件的效率和阵列均匀性。研究人员声称,这是首个蚀刻定义台面尺寸小于5μm的InGaN红光MicroLED。

近几年国内外团队在MicroLED红光显示方面倾注了很多心血,不过,发展至今,红光显示效率低的问题依然困扰着MicroLED。还有业者质疑,畅谈了十年的MicroLED显示时代,会不会因为红光显示效率不足而无法兑现?

为什么MicroLED红光显示效率低?

实验结果表明,当LED芯片尺寸下降到20μm以下时,MicroLED不仅发光效率迅速下降,而且在驱动显示面板所需的低电流范围(0.01A/cm²~1A/cm²)内,MicroLED非发光复合损耗显著增加。

这个问题在红光LED方面会格外显著。相较而言,将典型的蓝光LED从目前的常用尺寸缩小到5微米大小,其发光效率会从90%左右骤降到40%左右。虽然出现了很大的降幅,但从应用角度来看,这是能够接受的,MicroLED高密度也能够弥补这个衰减。

反观红光LED,其发光效率会从60%下骤降到1%左右,这个降幅是不可接受的,因为再高的密度也无法弥补这样的性能衰减。

材料可能是导致红光LED发光效率快速衰减的主要因素之一。目前,蓝光LED和绿光LED通常由氮化铟镓(InGaN)材料制成,由于红光波长更长,因此同样采用氮化铟镓材料制成红光LED时,就会在器件的发光区域产生强烈的偏振场,这种偏振场会对红光显示造成一定影响,且随着LED芯片尺寸缩小,这种影响会愈发显著。

MicroLED红光显示效率提升的尝试

红光LED显示效率和巨量转移等是量产MicroLED的主要瓶颈,产业界也在积极探索,就像开篇提到的,清华大学团队实验结果显示,在1μm的尺寸下,InGaN红光MicroLED在50A/cm²的电流密度下实现了0.86%的外量子效率(晶圆上)和613.6nm的波长。据悉,与传统蓝宝石基板上生长的MicroLED相比,其铟的掺入量有所提高。

材料创新被认为是解决红光LED发光效率低的主要途径。2020年,具备InGaN基红光MicroLED芯片规模化量产能力的法国半导体材料商Soitec发布了50微米的InGaN基红光MicroLED器件,不过当时该公司并没有透露具体的发光效率数据。

2021年3月,首尔伟傲世宣布已联合美国圣芭芭拉SSLEEC团队成功开发尺寸小于1μm的蓝光MicroLED和绿光LED,并且在尺寸小于70μm红光MicroLED的外量子效率(EQE)和良率问题上获得了突破。该团队的实验结果显示,相较于当时的主流方案,红光MicroLED芯片的外量子效率提升了150%,显著提升了MicroLED的亮度。

2021年10月,外媒报道称,KAUST大学开发出可见光光谱范围内高效发光的MicroLED(μLEDs)芯片,成功实现了MicroLED的全彩化,并且在《光子学研究》期刊上发表了论文。根据介绍,KAUST使用了一个半导体材料,通过化学混合能够发出RGN三原色的光,这样可以帮助MicroLED实现RGB全彩化显示。KAUST大学在论文中表示缩小芯片会面临在生产过程中LED结构的侧壁会被损坏,从而导致漏电,影响芯片发光。

2023年3月,总部位于英国的初创公司Kubos半导体提出了一种采用立方GaN的解决方案,该方案据称能够有效抑制偏振场对红光LED发光效率的影响。Kubos半导体创始人DavidWallis多年来一直在研究一种立方GaN。由于立方GaN具有更高的晶体对称性,这种GaN变体能够不受强极化场的影响,有效抑制了强极化场对GaN基红色LED的发光效率的影响。基于这种方法,Kubos制造了一款50微米直径的立方GaN非封装MicroLED芯片,它可以发射红光。他们希望据此证明,使用立方GaN方案制造更长波长MicroLED是可能的。

2023年10月,MicroLED微显示器制造商上海显耀显示科技JadeBirdDisplay宣布,其自主研发的0.13英寸MicroLED红光芯片亮度突破100万尼特大关,再次刷新业界纪录。JBD在多项威廉希尔官方网站 上的重大突破,包括在材料生长威廉希尔官方网站 、非辐射复合抑制威廉希尔官方网站 及光束发散角控制等方面。据悉,JBD红光的像素尺寸为4um,而发光的LED尺寸<2um,这也对发光效率提出了更为苛刻的要求。AlGaInP外延威廉希尔官方网站 的进步极大程度减弱了MicroLED表面非辐射复合的影响,延缓了红光MicroLED在<5um尺寸下的光效急剧衰减的趋势。

结语

红光LED显示效率低长期以来都困扰整个MicroLED产业,成为阻碍量产的难题之一。不过,通过产业界在材料和工艺方面的积极创新,全彩MicroLED已经逐步成为可能,相信随着相关工艺逐渐成熟,产业界十年磨一剑,MicroLED必将成为下一代主流的显示方案。

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