Micro LED红光显示为什么是难题？

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）2023年底，清华大学与中国北京凝聚态物理国家实验室宣布，研究团队通过使用独立式氮化镓衬底 （freestanding gallium nitride substrates (FGS)），提升了红光氮化镓 (InGaN)Micro LED器件的效率和阵列均匀性。研究人员声称，这是首个蚀刻定义台面尺寸小于5μm的InGaN红光Micro LED。

 

近几年国内外团队在Micro LED红光显示方面倾注了很多心血，不过，发展至今，红光显示效率低的问题依然困扰着Micro LED。还有业者质疑，畅谈了十年的Micro LED显示时代，会不会因为红光显示效率不足而无法兑现？

 

为什么Micro LED红光显示效率低？

实验结果表明，当LED芯片尺寸下降到20μm以下时，Micro LED不仅发光效率迅速下降，而且在驱动显示面板所需的低电流范围（0.01A/cm²～1A/cm²）内，Micro LED非发光复合损耗显著增加。

 

这个问题在红光LED方面会格外显著。相较而言，将典型的蓝光LED从目前的常用尺寸缩小到5微米大小，其发光效率会从90%左右骤降到40%左右。虽然出现了很大的降幅，但从应用角度来看，这是能够接受的，Micro LED高密度也能够弥补这个衰减。

 

反观红光LED，其发光效率会从60%下骤降到1%左右，这个降幅是不可接受的，因为再高的密度也无法弥补这样的性能衰减。

 

材料可能是导致红光LED发光效率快速衰减的主要因素之一。目前，蓝光LED和绿光LED通常由氮化铟镓（InGaN）材料制成，由于红光波长更长，因此同样采用氮化铟镓材料制成红光LED时，就会在器件的发光区域产生强烈的偏振场，这种偏振场会对红光显示造成一定影响，且随着LED芯片尺寸缩小，这种影响会愈发显著。

 

Micro LED红光显示效率提升的尝试

红光LED显示效率和巨量转移等是量产Micro LED的主要瓶颈，产业界也在积极探索，就像开篇提到的，清华大学团队实验结果显示，在1μm的尺寸下，InGaN红光Micro LED在50A/cm² 的电流密度下实现了0.86%的外量子效率（晶圆上）和613.6nm的波长。据悉，与传统蓝宝石基板上生长的Micro LED 相比，其铟的掺入量有所提高。

 

材料创新被认为是解决红光LED发光效率低的主要途径。2020年，具备InGaN基红光Micro LED芯片规模化量产能力的法国半导体材料商Soitec发布了50微米的InGaN基红光Micro LED器件，不过当时该公司并没有透露具体的发光效率数据。

 

2021年3月，首尔伟傲世宣布已联合美国圣芭芭拉SSLEEC团队成功开发尺寸小于1μm的蓝光Micro LED和绿光LED，并且在尺寸小于70μm红光Micro LED的外量子效率（EQE）和良率问题上获得了突破。该团队的实验结果显示，相较于当时的主流方案，红光Micro LED芯片的外量子效率提升了150%，显著提升了Micro LED的亮度。

 

2021年10月，外媒报道称，KAUST大学开发出可见光光谱范围内高效发光的Micro LED（μLEDs）芯片，成功实现了Micro LED的全彩化，并且在《光子学研究》期刊上发表了论文。根据介绍，KAUST使用了一个半导体材料，通过化学混合能够发出RGN三原色的光，这样可以帮助Micro LED实现RGB全彩化显示。KAUST大学在论文中表示缩小芯片会面临在生产过程中LED结构的侧壁会被损坏，从而导致漏电，影响芯片发光。

 

2023年3月，总部位于英国的初创公司Kubos半导体提出了一种采用立方GaN的解决方案，该方案据称能够有效抑制偏振场对红光LED发光效率的影响。Kubos半导体创始人David Wallis多年来一直在研究一种立方GaN。由于立方GaN具有更高的晶体对称性，这种GaN变体能够不受强极化场的影响，有效抑制了强极化场对GaN基红色LED的发光效率的影响。基于这种方法，Kubos制造了一款50微米直径的立方GaN非封装Micro LED芯片，它可以发射红光。他们希望据此证明，使用立方GaN方案制造更长波长Micro LED是可能的。

 

2023年10月，Micro LED微显示器制造商上海显耀显示科技Jade Bird Display宣布，其自主研发的0.13英寸Micro LED红光芯片亮度突破100万尼特大关，再次刷新业界纪录。JBD在多项技术上的重大突破，包括在材料生长技术、非辐射复合抑制技术及光束发散角控制等方面。据悉，JBD红光的像素尺寸为4um，而发光的LED尺寸＜2um，这也对发光效率提出了更为苛刻的要求。AlGaInP外延技术的进步极大程度减弱了Micro LED表面非辐射复合的影响，延缓了红光Micro LED在＜5um尺寸下的光效急剧衰减的趋势。

 

结语

红光LED显示效率低长期以来都困扰整个Micro LED产业，成为阻碍量产的难题之一。不过，通过产业界在材料和工艺方面的积极创新，全彩Micro LED已经逐步成为可能，相信随着相关工艺逐渐成熟，产业界十年磨一剑，Micro LED必将成为下一代主流的显示方案。