浙江大學、豐田合成公布最新Micro LED技術成果

山蟹居 2025-03-22 發(fā)布于浙江

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對于Micro LED技術研究探索，國內外高校與企業(yè)仍在持續(xù)進行中，近日國內浙江大學與日本豐田合成相繼在微米和納米鈣鈦礦LED，單片全彩Micro LED微顯示屏技術上取得新突破。

浙江大學研發(fā)出微米和納米鈣鈦礦LED

3月21日消息，浙江大學宣布，該校研究團隊成功研發(fā)出微米和納米鈣鈦礦LED，并達到了傳統(tǒng)LED難以觸及的——90nm尺寸新極限，同時降尺度過程僅造成微弱的性能損耗。

相關研究成果以“Downscaling micro- and nano-perovskite LEDs”為題發(fā)表在《自然》上（DOI:10.1038/s41586-025-08685-w）。

圖片來源：浙江大學

“降尺度”在電子科學中特指縮小基本器件尺寸的過程，引領著計算機科學、信息顯示和人機交互等領域的技術革命。Micro LED就是一種“降尺度”的LED，通過縮小LED的尺寸，可實現(xiàn)超高清、超高精度的光電顯示。

浙江大學光電科學與工程學院/海寧國際聯(lián)合學院狄大衛(wèi)教授介紹稱，“目前世界最先進的顯示技術是基于III-V族半導體的Micro LED，被認為是顯示器的'終極技術’?！?br>
鈣鈦礦LED是一種可應用于顯示、照明和通訊等領域的新型光源，在色彩純度、色域寬度上有極大的優(yōu)勢。幾年前，從三五族半導體Micro LED的微型化研究中得到啟發(fā)，狄大衛(wèi)團隊開始研制用于未來顯示技術的更小的鈣鈦礦LED。

初步嘗試后，團隊于2021年首次提出了“微型鈣鈦礦LED（micro-PeLED）”的概念，后續(xù)獲得了國家與國際專利。

“對鈣鈦礦LED進行微型化并不能沿用Micro LED技術。而且，傳統(tǒng)的光刻工藝會破壞鈣鈦礦材料?！钡掖笮l(wèi)說，“制造微型鈣鈦礦LED最簡單的方法是對頂部和底部的電極接觸進行圖案化，用電極重疊的區(qū)域定義發(fā)光像素區(qū)域，但是這種方法會使像素邊界處的鈣鈦礦材料暴露在電極邊緣，容易產(chǎn)生非輻射能量損耗，進而使LED效率降低?！?br>
“我們設計了一套局域接觸工藝，其能夠在附加絕緣層中引入由光刻制作的圖案化窗口，以確保像素區(qū)域遠離電極邊緣?！边B亞霄介紹。

這一工藝有效保證了LED的發(fā)光效率，使團隊能夠制造像素尺寸從數(shù)百微米到90納米的鈣鈦礦LED。趙保丹說：“對于綠色和近紅外鈣鈦礦LED而言，當像素尺寸在數(shù)百微米到3.5微米范圍時，外量子效率均保持在20%左右?！?/span>

有源矩陣micro-PeLED微顯示器呈現(xiàn)的圖像（圖：浙大光電）

研究團隊開發(fā)的micro和nano-PeLED相較于基于III-V族半導體的Micro LED具有優(yōu)勢，大約在180納米的極小尺寸才開始顯現(xiàn)降尺寸效應，此時的效率降低至最高值的50%。而傳統(tǒng)Micro LED在尺寸低于10微米時效率就已經(jīng)顯著下降。

狄大衛(wèi)說：“論文中所展示的nano-PeLED最小可達到90納米，是迄今為止報道的最小LED像素?！被诖耍瑘F隊創(chuàng)建的具有127000 PPI超高分辨率的LED像素陣列也摘得所有類型LED陣列最高分辨率的紀錄。

據(jù)介紹，團隊與杭州領摯科技攜手制作了由TFT背板驅動的有源矩陣micro-PeLED微顯示器原型，能夠呈現(xiàn)復雜的圖像和視頻，目前正在積極推動技術應用。

豐田合成采用堆疊InGaN材料，開發(fā)全彩Micro LED微顯示屏

近日，日本豐田合成公司（Toyoda Gosei）在單片全彩Micro LED顯示屏領域取得重要進展。他們采用堆疊式氮化銦鎵（InGaN）材料，實現(xiàn)了紅、綠、藍（RGB）三色發(fā)光，為未來高亮度、小型化的顯示技術鋪平了道路。

圖1.（a）豐田合成所開發(fā)全彩色單片式Micro-LED的橫截面結構示意圖。（b）沒有子像素間隔設計的子像素的電致發(fā)光（EL）圖像。（c）設計有子像素間隔的子像素的EL圖像。（d）研究人員所開發(fā)單片式Micro-LED芯片的照片

據(jù)悉，當前市場上的微型顯示屏多采用OLED技術，但其亮度較低，在戶外或增強現(xiàn)實（AR）眼鏡等應用中存在局限。而InGaN Micro LED不僅亮度更高，還能通過單片集成簡化制造工藝。盡管該團隊使用的材料再生長工藝增加了制造復雜度，但相比量子點或隧道結等方法，它更符合半導體制造流程，具有更大的產(chǎn)業(yè)化潛力。

研究團隊利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術在藍寶石基板上生長Micro LED芯片，并通過刻蝕和電極沉積等步驟實現(xiàn)像素分離。最終，他們制造出96×96像素的微型顯示屏，總尺寸僅3mm×3mm，可用于小型顯示設備。

圖2. （a）-（c）為驅動電流在10-200μA的范圍之間時，紅色、綠色和藍色子像素的電致發(fā)光光譜。（d）為上述基于單色Micro-LED所制造顯示器在色度圖上體現(xiàn)出來的顏色再現(xiàn)能力。（e）為三種單色Micro-LED器件的電致發(fā)光圖像。（f）三種不同顏色子像素Micro-LED的電流-電壓特性

在測試中，RGB三色像素在不同電流下表現(xiàn)穩(wěn)定，但紅色像素的效率較低，僅為0.2%，遠低于綠光（2%）和藍光（3%）。此外，顯示屏的色域覆蓋NTSC標準的69.9%，低于團隊此前所實現(xiàn)的95.4%，這主要由于Micro LED紅光光波長偏短所致。但研究人員表示，這一問題可以通過優(yōu)化紅色發(fā)光層來改善。

該團隊還成功用該微型顯示屏播放了一張4-bit灰度的全彩圖片，并通過脈寬調制（PWM）技術優(yōu)化色彩表現(xiàn)。盡管當前仍存在紅色亮度偏低、芯片外圍區(qū)域部分不發(fā)光的問題，但這些技術難題正在逐步優(yōu)化。