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Micro-LED显示、可见光通信等应用中LED器件问题和挑战
2020-06-24 09:36:09
总的来说，在包括高质量半导体照明、Micro-LED显示、可见光通信、柔性显示和植入式生物医疗等应用场景，LED器件本身面临发光侧壁效应、发光光谱半高宽、柔性制造和可靠性、发光光束、发光调制速率、集成系统、显色性和效率等问题和挑战。
1.问题和挑战-1：Micro-LED 侧壁效应
传统LED面积比较大，其具有数十微米的边缘侧壁，侧壁效应中并不重要。Micro-LED尺寸非常小，侧壁效应显著甚至是致命的。Micro led制作过程中的干法蚀刻会引入很多的侧壁缺陷，会成为表面复合和非辐射复合的通道，导致发光效率降低和发光均匀性等问题。下图来自河北工业大学张紫辉教授的optics express文章，可以看出，当传统LED和Micro LED具有绝对面积一样的侧壁时，micro led的效率会急剧降低。
Micro LED的峰值效率通常低于10%，而Micro LED通常必须以非常低的电流密度运行,所以Micro LED效率非常低，功耗比例大。提高效率的办法包括引入新的Micro LED芯片设计,使得Micro LED在额定工作电流下可以具有比较高的效率，另外要改进Micro LED制造技术，包括刻蚀工艺优化，表面钝化层沉积等。
2.问题和挑战-2 ：Micro-LED光束调控
LED 光为近似朗伯光源，它的发光辐射强度和亮度等呈现琅勃分布规律。随着Micro LED像素缩小，侧壁面积占整体表面积比增大，侧壁发光占据很大成分，不可忽视。在Micro显示中影响比较大，会带来比较大的串扰效应：（1）RGB三芯片彩色化中，Micro LED像素单元发光会串扰到相邻像素，而此像素LED可能为关闭的，这就会影响相邻像素的黑色水平，因为理想情况此像素是完全关闭不发光显示的，从而影响显示的对比度，黑色水平；（2）对光致荧光（QD)彩色化Micro LED显示来说，同一个像素单元的比如蓝光Micro LED发光可能会激发同一像素里的红绿色荧光粉，降低显示的色纯度、饱和度等。Micro LED 光束调控不仅包括Micro LED本身发光光束的调控，也包括光致彩色光的光束调控和管理。
Micro LED 显示与 LED-LCD，QD-LCD，或薄膜OLED， QD LED主动发光均不同，适合点阵式Micro LED 显示的光束调控（非相干光波动光学调控、朗伯光源几何光学调控、结构设计制造，如侧壁反射膜，围坝等）。LED的光谱半高宽有20nm左右，在时域和频域是非相干的；空间出光琅勃分布，在空间也是非相干的。现在研究比较多的metasurface等一般是基于相干光的激光的光束整形，即beam shaping, 对非相关LED光的metasurface，共振腔等波动光学调控还需要进行探索和研究。几何光学调控主要是芯片的塑形，Micro LED芯片主要是矩形的，基于矩形的比如侧壁塑形，甚至不同形状芯片，比如六边形、三角形等将对它的光束光场分布产生影响，并且产生的效果和传统LED不太一样的效果。Micro LED芯片结构设计和制造，包括几何光学的一些比如侧壁塑形，也包括比如侧壁反射镜，底部反射镜等结构设计制造。台湾交通大学郭浩中教授在photonics research 上报道了基于光刻胶的围坝结构和工艺，就是在Micro LED芯片周围喷涂一圈光刻胶，吸收侧壁发出的光，从而降低像素串扰。Micro LED芯片的光束调控和用于显示的串扰因素可能还同具体的Micro LED芯片结构、尺寸以及Micro LED阵列的间距等相关。LED外延材料差不多6-10微米厚，当前Micro LED尺寸可以到10微米甚至以下，Micro LED芯片的尺寸和厚度相当，而一般蓝宝石衬底在100微米以上，Micro LED芯片用于Micro LED显示还是必然要把蓝宝石衬底去除，一般是通过倒装或者垂直结构LED，再激光剥离，这样就把芯片有源层倒置在下面了，也就是有源层离表面有芯片的厚度，6-10微米厚。在越小间距情况下，相邻像素和像素内不同色彩单元的串扰，相比有源区如果在芯片顶部的话会越严重。这是Micro LED芯片和尺寸，间距的可能影响。
3.问题和挑战-3： Micro-LED发光调制速率
Micro LED面试具有快速切换能力，由于载流子复合寿命ns级别（300MHz），相比OLED μs提高。但5G+4K 显示和可见光通信应用仍需进一步提高；目前可见光通信Micro LED极高电流密度（KA/cm2）获得小的差分载流子寿命（效率低，散热难，实际应用认为不可取）。
影响GaN LED发光调制速率的因素有：
（1）材料：GaN/InGaN量子阱压电极化场，使电子和空穴分开。可以通过生长半极性、非极性材料来去除量子阱压电极化场，也可以通过制造微纳结构LED，释放材料应力，从而量子阱压电极化场来实现。（2）器件：常规大面积器件（200μm)大的电容，存在RC效应。可以通过减小LED面积，从而减小电容来减小RC效应，即Micro-LED。（3）白光LED器件存在斯托克斯转换慢，荧光发光慢问题。可以通过开发采用新型荧光材料，如QD、Conjure polymer或者采用三色LED来克服，但是在照明质量方面需要优化提高。（4）Purcell效应（光学共振腔、等离激元）利用。（5）激光器、超辐射二极管通信（不同于Micro-LED，有电流阈值，电流密度高）。
另外，可以通过利用purcell效应来提高发光效率和调制速率。Purcell效应告诉我们，物质的发光性能不仅仅由物质本身性质决定，同时也受到环境模式太密度的影响。基于此，可以设计人工结构，比如共振强和金属等离激元来提高LED发光调制速率。金属等离激元是由于具有很小的模式体积，而共振腔的品质因子很高。南京大学刘斌教授课题组在等离激元增强发光方面做了很多漂亮的工作。但也正由于等离激元的模式体积小的特点，使得它的作用距离比较短，需要使金属等离激元离有源区的距离比较近，这会增加器件短路的风险。另外，金属本身会使发光quench, 因此需要平衡purcell增强和发光quench两方面的因素。基于激光器、超辐射二极管可见光通信有不少报道，光源带宽和通信速率得到极大增强，但是激光器、超辐射二极管都存在电流阈值，工作电流密度高，同时结构复杂，光照面积大小，人体潜在危害性比较大。LED在这方面具有优势。
4.问题和挑战-4：Micro-LED发光光谱半高宽
Micro-LED发光半高宽会影响Micro LED显示的对比度。对于RGB三芯片彩色化：Micro LED发光半高宽影响显示色阈、色纯度；光致荧光（QD)彩色化：Micro LED发光影响蓝色色阈。虽然Micro LED发光半高宽目前为20nm左右，能有一个比较好的显示效果。但是进一步提高显示阈值和色纯度等，还需要降低半高宽。可能有人会觉得直接用激光器就是，因为激光器具有极窄的半高宽，但是Micro LED结构简单，没有电流驱动阈值。基于激光芯片的DMD投影和电视最近有很多产品，包括海信等，但是也有他的问题，而且和Micro LED显示是完全不同的技术路线了。而激光芯片直接像素显示似乎无人报道，技术难度，功耗，驱动控制等问题很大。另外，Micro LED显示单像素点的亮度并不需要很大，所以激光的高强度并无必要。
5.问题和挑战-5：柔性制造和可靠性
柔性Micro LED在柔性显示、植入式生物医疗等有潜在应用。柔性显示目前应用基本上是基于有机AMOLED材料和技术。美国西北大学John Rogers组，通过Laser lift off和Transfer Printing, 将Micro LED在柔性显示、植入式生物医疗。但是正如在巨量转移技术中讨论的，需要将GaN/衬底界面先底切蚀刻，才能实行转印。而GaN/衬底界面是比较难以蚀刻的，这增加了柔性制造和转移的困难以及可靠性，成功率和工艺复杂性。iBeam Materials公司报道了基于金属薄膜衬底的直接外延生长（GaN-on-Metal），制造柔性LED。但是并无更多的相关LED质量，良率等方面的继续报道。总之，柔性LED和Micro存在制造工艺复杂性、可靠性、效率和良率等问题。
6.问题和挑战-6：发光效率和显色性
这里发光效率指白光LED的流明效率。半导体照明经过快速的发展，其发光效率已经可以达到250lm/W以上。随着进一步的深化和要求提高，半导体照明的质量要求也在提高，包括显色性，色温等。
但是白光LED发光效率和显色性存在平衡矛盾：人眼峰值相应550nm，理论上在此波长下可以获得最大的发光效率，但是提高 CRI需要扩展光谱, 而这将降低发光效率。如何降低白光LED发光效率droop，如何在维持甚至提高其显色指数下提高发光效率是个需要探讨研究的问题。
7.问题和挑战-7：LED光电/光系统集成
LED光电/光系统集成对本身LED器件的结构性能等提出要求。LED光电/光系统集成包括照明、显示和光通信的功能集成，如显通、照通、显照甚至显照通，高效高显色性、高分辨率高对比度和高速宽带宽的性能集成，大功率、高密度和高频驱动的结构集成；GaN 材料和Si等材料的异质材料集成，GaN LED和Si CMOS、GaN HEMT等功能单芯片集成，三维/曲面/柔性异质复杂结构形态集成，GaN LED和探测器、光波导等片上光通信集成。
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