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克服MicroLED的“效率陡崖”

MicroLED.cn 技术文章 2022-03-12 13:54:04 51236 0 | 文章出自:爱光学 MicroLED
新一代显示技术追求更高的亮度、更长的寿命、更高的分辨率和更好的显色性,将能够支撑虚拟/增强现实和元宇宙的发展。Micro-LED被认为是满足这些需求最有效的路线。除显示应用外,可见光通信、生物成像与检测亦是Micro-LED的潜在应用领域。
由于制备过程中刻蚀造成的表面损伤,Micro-LED的效率随着LED尺寸的减小大幅下降,导致严重的“效率陡崖”。外延层里存在的结构缺陷和杂质也导致低内量子效率和低效的空穴输运与注入。而且,传统镓极性高铟组分InGaN量子阱LED遭受高密度的缺陷、无序、位错以及强量子限制斯塔克效应的影响,使其效率和发光光谱稳定性降低。
近日,密歇根大学安娜堡分校的Zetian Mi教授团队利用氮极性纳米线克服了Micro-LED的“效率陡崖”,相关研究成果已发表于Photonics Research 2022年第2期。

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纳米线可用自下而上方法形成,无需进行自上而下的刻蚀。因此,可以避免表面损伤和相关非辐射表面复合。在壳层区域恰当地并入铝元素,纳米线会呈现“核—壳”结构,能够将载流子限制在禁带宽度小的核区域,从而进一步减小表面非辐射复合。氮极性纳米线有着与传统镓极性器件相反的极化场,因此能减弱量子限制斯塔克效应,并使发光光谱在高注入下更稳定。

一个由大约几根纳米线组成的LED横向尺寸仅约750nm,其外量子效率在晶圆上未封装的情况下测得约11%。据该研究团队所知,这是目前报道的亚微米器件中的最高效率。在相对较高的电流密度下,发光峰波长偏移仅6nm且光谱展宽极小(可忽略),比传统量子阱LED有显著的改善。这样的高效率和高稳定性表明氮极性纳米线有希望用作对高像素密度显示技术至关重要的高性能自发光像素。

刘先河博士表示,“氮极性纳米线LED同时实现了器件的小尺寸和高效率。器件的尺寸仅不到1μm,但即使未经封装,其效率也远高于1μm尺寸的传统Micro-LED的效率,与10μm尺寸的传统Micro-LED效率相当,这说明氮极性纳米线结构已经打破了自上而下方法的相关效率瓶颈。这尤其对超高分辨率移动显示和近眼显示方面的应用非常有意义,例如虚拟/增强显示设备和系统(图1)。”

该团队正在持续改进纳米线绿光Micro-LED的性能(图2),并在发展高效红光Micro-LED。

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图1、基于自发光像素的增强现实/虚拟现实显示器,其中自发光像素由纳米线组成

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图2、一个由几根纳米线组成的亚微米绿光LED发出绿光的艺术效果图

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