Micro LED紅光顯示為什么是難題？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）2023年底，清華大學(xué)與中國北京凝聚態(tài)物理國家實驗室宣布，研究團隊通過使用獨立式氮化鎵襯底（freestandinggalliumnitridesubstrates(FGS)），提升了紅光氮化鎵(InGaN)MicroLED器件的效率和陣列均勻性。研究人員聲稱，這是首個蝕刻定義臺面尺寸小于5μm的InGaN紅光MicroLED。

近幾年國內(nèi)外團隊在MicroLED紅光顯示方面傾注了很多心血，不過，發(fā)展至今，紅光顯示效率低的問題依然困擾著MicroLED。還有業(yè)者質(zhì)疑，暢談了十年的MicroLED顯示時代，會不會因為紅光顯示效率不足而無法兌現(xiàn)？

為什么MicroLED紅光顯示效率低？

實驗結(jié)果表明，當(dāng)LED芯片尺寸下降到20μm以下時，MicroLED不僅發(fā)光效率迅速下降，而且在驅(qū)動顯示面板所需的低電流范圍（0.01A/cm2～1A/cm2）內(nèi)，MicroLED非發(fā)光復(fù)合損耗顯著增加。

這個問題在紅光LED方面會格外顯著。相較而言，將典型的藍光LED從目前的常用尺寸縮小到5微米大小，其發(fā)光效率會從90%左右驟降到40%左右。雖然出現(xiàn)了很大的降幅，但從應(yīng)用角度來看，這是能夠接受的，MicroLED高密度也能夠彌補這個衰減。

反觀紅光LED，其發(fā)光效率會從60%下驟降到1%左右，這個降幅是不可接受的，因為再高的密度也無法彌補這樣的性能衰減。

材料可能是導(dǎo)致紅光LED發(fā)光效率快速衰減的主要因素之一。目前，藍光LED和綠光LED通常由氮化銦鎵（InGaN）材料制成，由于紅光波長更長，因此同樣采用氮化銦鎵材料制成紅光LED時，就會在器件的發(fā)光區(qū)域產(chǎn)生強烈的偏振場，這種偏振場會對紅光顯示造成一定影響，且隨著LED芯片尺寸縮小，這種影響會愈發(fā)顯著。

MicroLED紅光顯示效率提升的嘗試

紅光LED顯示效率和巨量轉(zhuǎn)移等是量產(chǎn)MicroLED的主要瓶頸，產(chǎn)業(yè)界也在積極探索，就像開篇提到的，清華大學(xué)團隊實驗結(jié)果顯示，在1μm的尺寸下，InGaN紅光MicroLED在50A/cm2的電流密度下實現(xiàn)了0.86%的外量子效率（晶圓上）和613.6nm的波長。據(jù)悉，與傳統(tǒng)藍寶石基板上生長的MicroLED相比，其銦的摻入量有所提高。

材料創(chuàng)新被認為是解決紅光LED發(fā)光效率低的主要途徑。2020年，具備InGaN基紅光MicroLED芯片規(guī)?；慨a(chǎn)能力的法國半導(dǎo)體材料商Soitec發(fā)布了50微米的InGaN基紅光MicroLED器件，不過當(dāng)時該公司并沒有透露具體的發(fā)光效率數(shù)據(jù)。

2021年3月，首爾偉傲世宣布已聯(lián)合美國圣芭芭拉SSLEEC團隊成功開發(fā)尺寸小于1μm的藍光MicroLED和綠光LED，并且在尺寸小于70μm紅光MicroLED的外量子效率（EQE）和良率問題上獲得了突破。該團隊的實驗結(jié)果顯示，相較于當(dāng)時的主流方案，紅光MicroLED芯片的外量子效率提升了150%，顯著提升了MicroLED的亮度。

2021年10月，外媒報道稱，KAUST大學(xué)開發(fā)出可見光光譜范圍內(nèi)高效發(fā)光的MicroLED（μLEDs）芯片，成功實現(xiàn)了MicroLED的全彩化，并且在《光子學(xué)研究》期刊上發(fā)表了論文。根據(jù)介紹，KAUST使用了一個半導(dǎo)體材料，通過化學(xué)混合能夠發(fā)出RGN三原色的光，這樣可以幫助MicroLED實現(xiàn)RGB全彩化顯示。KAUST大學(xué)在論文中表示縮小芯片會面臨在生產(chǎn)過程中LED結(jié)構(gòu)的側(cè)壁會被損壞，從而導(dǎo)致漏電，影響芯片發(fā)光。

2023年3月，總部位于英國的初創(chuàng)公司Kubos半導(dǎo)體提出了一種采用立方GaN的解決方案，該方案據(jù)稱能夠有效抑制偏振場對紅光LED發(fā)光效率的影響。Kubos半導(dǎo)體創(chuàng)始人DavidWallis多年來一直在研究一種立方GaN。由于立方GaN具有更高的晶體對稱性，這種GaN變體能夠不受強極化場的影響，有效抑制了強極化場對GaN基紅色LED的發(fā)光效率的影響?；谶@種方法，Kubos制造了一款50微米直徑的立方GaN非封裝MicroLED芯片，它可以發(fā)射紅光。他們希望據(jù)此證明，使用立方GaN方案制造更長波長MicroLED是可能的。

2023年10月，MicroLED微顯示器制造商上海顯耀顯示科技JadeBirdDisplay宣布，其自主研發(fā)的0.13英寸MicroLED紅光芯片亮度突破100萬尼特大關(guān)，再次刷新業(yè)界紀錄。JBD在多項技術(shù)上的重大突破，包括在材料生長技術(shù)、非輻射復(fù)合抑制技術(shù)及光束發(fā)散角控制等方面。據(jù)悉，JBD紅光的像素尺寸為4um，而發(fā)光的LED尺寸＜2um，這也對發(fā)光效率提出了更為苛刻的要求。AlGaInP外延技術(shù)的進步極大程度減弱了MicroLED表面非輻射復(fù)合的影響，延緩了紅光MicroLED在＜5um尺寸下的光效急劇衰減的趨勢。

結(jié)語

紅光LED顯示效率低長期以來都困擾整個MicroLED產(chǎn)業(yè)，成為阻礙量產(chǎn)的難題之一。不過，通過產(chǎn)業(yè)界在材料和工藝方面的積極創(chuàng)新，全彩MicroLED已經(jīng)逐步成為可能，相信隨著相關(guān)工藝逐漸成熟，產(chǎn)業(yè)界十年磨一劍，MicroLED必將成為下一代主流的顯示方案。