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破尺寸效应,通全彩路径,中日高校Micro LED双突破

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Micro LED正加速迈向AR/VR等超高像素密度场景发展,但效率随尺寸微缩而衰减的尺寸效应,与全彩化制备的复杂结构,始终是产业化路上的两道难关。

近日,中日高校先后传来突破:中国团队以原位修复钝化技术逆转尺寸效应,日本团队则首次实现铽掺杂AlGaN电致发光,为单片全彩开辟新路径。

厦大团队破解尺寸效应,2μm Micro LED效率刷新纪录

厦大物理公众号消息,厦门大学张荣院士、黄凯教授团队联合南京大学、复旦大学在Nature Photonics发表论文,提出原位干法修复钝化(IDRP)技术,从原子结构修复与表面电子态调控两个维度同步入手,实现刻蚀损伤原位修复与表面钝化一体化。

研究揭示,尺寸微缩导致效率衰减的核心并非传统认知的侧壁非辐射复合增强,而是等离子体刻蚀对多量子阱、电子阻挡层等结构造成的损伤,与载流子横向输运效应相互耦合,触发"载流子黑洞"效应,将载流子吸附至芯片边缘并经非辐射复合通道消耗。


IDRP工艺修复Micro-LED侧壁原子并钝化侧壁电子态(图片来源:厦大物理)

IDRP将修复环节直接嵌入标准干法刻蚀流程,系统修复晶格损伤与表面缺陷,重构侧壁载流子复合与输运行为,突破传统表面钝化局限,实现"原子结构修复"与"电子态重构"的协同调控。得益于此,Micro LED长期受困的尺寸效应被逆转,呈现显著的"反向尺寸效应"。

基于该技术,团队制备的2μm蓝光与绿光Micro LED峰值外量子效率分别达64.7%和55.1%,刷新该尺寸量级氮化物Micro LED效率世界纪录,并同步完成3387 PPI微显示模块验证,打通从原子尺度损伤修复、超小尺寸高效率芯片制备到高PPI显示系统集成的全链条。


氮化物Micro LED尺寸效应破解与微显示样机演示(图片来源:厦大物理)

更重要的是,IDRP采用全干法、原位、兼容现有半导体制造流程的路线,为Micro LED突破高效率、小尺寸、高良率与规模制造难以兼顾的瓶颈提供底层支撑;其针对的氮化物刻蚀界面共性损伤问题,对功率电子、射频器件及光探测器等微纳器件的界面工程同样具有借鉴意义。

大阪大学实现铽掺杂AlGaN电致发光,Micro LED单片全彩迎新路径

日本大阪大学与立命馆大学研究人员首次展示了铽掺杂AlGaN基LED的电致发光,有望推动单片Micro LED全彩显示发展。

据研究团队介绍,传统Micro LED依赖带间跃迁发光,外延完成后颜色即固定,全彩显示需堆叠多个发光层或横向排列子像素,结构复杂,而铽掺杂AlGaN LED仅凭铽离子发射即可产生四种颜色,无需复杂集成结构。


图片来源:Compound semiconductor

器件在MOCVD反应器中于蓝宝石衬底上生长,铝组分从0.36逐步提升至0.62。二次离子质谱显示,铝含量增加时活性区铽浓度从2.0×10¹⁹ cm⁻³略降至1.5×10¹⁹ cm⁻³;外部量子效率随铝浓度提高而上升,高铝组分器件较低铝组分高出10倍以上——铝浓度升高虽劣化电学特性,但合金向掺杂剂的能量传递增强,使Tb³⁺发射显著增强。

LED在约620nm、580nm、550nm和490nm处产生极稳定的电致发光峰,对应铽离子⁵D₄–⁷FJ(J=3,4,5,6)能级跃迁。

实现单色发射是制备全彩显示的关键。加装带通滤波器虽可筛色,但会牺牲效率。研究团队指出,四种可见光发射均源于Tb³⁺同一⁵D₄激发态的弛豫过程,借助等离子体共振或谐振腔结构耦合特定波长、缩短辐射寿命,即有望调控分支比使单色占优,铽掺杂玻璃中绿光主导即为佐证。

当前器件EQE仍低于0.01%,但该团队已在铕掺杂GaN红色LED上实现接近10%的峰值EQE,通过优化晶体生长条件并发展氧原子等杂质共掺杂技术,铽掺杂AlGaN的效率有望大幅提升,且其前驱体可液态鼓泡,量产难度预计与常规LED相当。

LEDinside整理


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