Micro-LED雖然經過多年快速的發展，但目前仍然有幾個關鍵技術問題阻礙了其前進的步伐。首先，受到紅光LED低效率和熱光衰的困擾，限制了顯示器的性能；第二、制備間距小于10μm的Micro-LED芯片器件具有挑戰性，而這是用于AR和MR的微型顯示器的必要要求；第三、隨著LED尺寸的不斷縮小，器件的分揀變得更加艱難且昂貴。當然最后一點是最令人擔憂，那就是生產成本太高。

 

目前來看，能夠解決所有問題的方法是色彩轉換MicroLED，它使用在紫外或藍光的芯片來激發量子點（QD），以這種方式工作的器件具有許多特性，包括高量子產率、與尺寸有關的發射波長、窄的發射線寬和較短的發光壽命。

 

 

圖1.（a）電化學蝕刻工藝產生納米多孔GaN。（b）GaN電化學蝕刻工藝的相圖

 

為了解決這些問題，來自康涅狄格州Branford市的Saphlux團隊開發了一種納米孔技術，可以將量子點嵌入到Micro-LED中，這樣就可以得到非常高效、可靠和低成本的器件。

 

據介紹，該團隊通過將材料浸入酸性溶液中并施加偏壓，在LED中形成納米級孔隙，從而驅動n型GaN的電化學蝕刻（見圖1（a））。通過改變施加的偏壓或GaN中硅摻雜濃度，這樣能夠在電化學蝕刻行為中產生戲劇性的變化。如果向硅摻雜濃度低的GaN施加低偏置電壓，則不會出現蝕刻現象；如果使用高偏置電壓或高硅摻雜濃度，則會將GaN完全蝕刻掉（這稱為電拋光）。為了形成納米多孔GaN，我們繪制了這兩種極端之間的變化過程，選擇了適當的偏置電壓和硅摻雜濃度。

 

 

圖2.（a-c）具有不同孔隙率的納米多孔GaN在不同的偏置電壓下蝕刻的俯視圖和（d-f）截面掃描電子顯微鏡圖像。經美國化學學會許可轉載。

 

根據Saphlux團隊模擬結果顯示，將納米孔融入LED中可以大大提高器件效率，而且可靠性也得到了提高。

 

 

圖4.（a）GaN藍寶石晶片上的紅色納米多孔量子點樣品和量子點薄膜的紅色發射的歸一化功率強度的比較。兩種樣品均用420 nm藍色激光激發3小時。（b）納米多孔GaN吸收藍光的模擬映射結果。（c）納米多孔膜吸收藍光的模擬映射結果。

 

通過實驗得出上述結果，Saphlux團隊據此開始制作顯示器。據介紹，制作顯示器需要形成納米多孔藍色發光LED，然后將其中一部分放在一邊，在另一部分涂上紅色發光或綠色發光量子點（見圖5）。在將紅色和綠色發光量子點加載到不同區域之前，團隊將裸露的納米多孔GaN鍵合到電流驅動面板上。如果這些區域沒有量子點，則發射藍光；如果它們加載了量子點，則通過顏色轉換產生紅光或綠光。

 

 

圖5. Saphlux的制造單片RGB microLED的方法。（a）將帶有裸露的納米多孔GaN的垂直藍色LED鍵合在電流驅動器面板上。（b）紅色量子點被選擇性地加載到紅色區域中。（c）將綠色量子點選擇性地加載到綠色區域中。（d）分別從紅色量子點區域，綠色量子點區域和沒有任何量子點的區域發出的紅色，綠色和藍色光

 

利用這種方法，Saphlux團隊演示了一個尺寸為36μm×36μm的microLED陣列。它具有一個濾光片，可以阻擋紅色和綠色子像素的藍色背光。通過組合許多microLED，我們制作了一個帶有我們公司標志的顯示屏（見圖6(b)）。

 

目前該團隊正在制造納米多孔GaN microLED陣列，并根據客戶的需求定制像素尺寸。許多應用提供了廣闊的市場前景，包括可穿戴設備、車輛顯示器、智能手機以及各種形式的增強和虛擬現實設備。

 

 

圖6.（a）Saphlux RGB單片微型LED由背面的藍色LED光源激發。（b）由紅色和綠色納米多孔量子點microLED制成的公司徽標“ SAPHLUX”的圖片。