虹科分享 | 量子点 LED：未来的白光光源

发光二极管（LED）是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。LED通常由两部分组成，空穴占主导地位的P型半导体+电子占主导地位的N型半导体，二者界面之间形成P-N结。当电流通过导线作用于二极管时，电子向P区移动并在P-N结处跟空穴复合，并以光子的形式发出能量。

图1 发光二极管结构及工作原理

QDLED

量子点LED（QDLED）是基于高效发光无机纳米晶体制成的具有新型结构的量子点有机发光器件。相对于传统的有机荧光粉，量子点具有发光波长可调（可覆盖可见和近红外波段）、荧光量子效率高（可大于90%）、颗粒尺寸小、色彩饱和度高、可低价溶液加工、稳定性高等优点。

图2 量子点材料的发光波长范围

QDLED已是显示技术领域的领先者，三星、TCL、LG、京东方等各大显示屏公司提供基于QDLED的商业电视显示屏。在显示器领域，microLED、OLED和QDLED之间的竞争非常激烈。在照明方面，虽然目前基于照明的商用QDLED较少，但QDLED仍会在该领域取得长足进步。

量子点优势

大多数商业 LED 使用蓝色 LED 背光和荧光粉涂层进行工作。蓝色LED上的荧光粉涂层在深蓝色或紫外线辐射激发时发出可见光，实现能量下转换（蓝光转换为能量较低的红光或绿光）。通过调整给定荧光粉的比例和特性，可以调整输出光的波段位置。但能量下转换过程效率较低，从蓝色转换为红色时，荧光粉会浪费一部分能量。

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光谱可调

与传统的基于荧光粉的LED相比，量子点具有最重要的优势——提供宽光谱的可调性。通过改变粒径，可以使用量子点技术轻松改变颜色或峰值波长，这是量子点独特的优点。

图3 不同尺寸量子点的结构和发光颜色

在制造方面，只需要增加量子点的额外生长时间就能够改变量子点尺寸。例如，2nm的CdSe量子点将以红色发射，但在稍长的生长时间后，5nm的CdSe 量子点将以绿色发射。与荧光粉相比，这是一个很大的优势，因为荧光粉的发射和稳定性完全取决于材料类型，光谱的灵活性十分有限。

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量子效率高

此外，量子点在效率方面也具有优势，特别是在红光区域。通常，当使用基于荧光粉的LED发射红光时，由于无法控制荧光粉输出发射光谱的带宽，不可避免地会发射一部分红外光，造成能量浪费。对于QDLED，较窄的发射光谱意味着可以获得单色性好、纯净度高的红光，从而在基于照明的应用中提供更高的效率。

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显色度高

QDLED还为具有高显色指数（CRI）值的LED提供了一条捷径。最近，剑桥大学团队研究了基于QD-LED的智能照明，它可以由用户控制，并允许照明根据情绪和环境进行调节。他们创建了一个将QD-LED与系统级颜色控制和颜色优化算法相结合的设备。通过使用多层不同大小的量子点，改变颜色并准确地模仿白光。

图4 高CRI的QD-LED

市场的竞争

QD为下一代照明应用提供高显色性和非常节能的LED组件，但是商用QD-LED的开发面临着重大挑战。

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制造成本

QLED 器件的制作成本大致可分为原材料的成本和处理这些材料的制造成本。由于目前QLED 都采用类似的工具箱薄膜处理技术，例如喷墨和微接触印刷，热蒸发定量和溅射等，虽然QLED 在结构和制作技术上比OLED 减少了很多成本，但是高要求的制备环境使其与商业化仍有一段距离。

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使用寿命

QD直接位于LED和硅的顶部，在这种条件下很容易发生降解。在芯片上，QD暴露在高温下（有时>100°C），暴露在潮湿和潮湿的大气中，并且需要高通量的光进入QD。这些通过其表面的过程直接地导致QD的退化。
在应用的过程中，量子点的团聚也是影响量子点发光的重要原因。由于量子点发光的原理是量子限域效应，仅在量子点体积较小的时候，才能够保持稳定的发光特性。当量子点团聚的时候，会改变量子点的尺寸，从而使量子点猝灭失效。
目前QD-LED 器件在最低视频亮度（100 cd/m2）上的寿命仅为100-1000 个小时，远远小于显示器需要的寿命（大于10000 小时）。造成器件寿命短的因素可能有很多，作为QLED 电荷传输层的有机物的某些固有不稳定性质可能是其器件寿命短的一个原因。

量子点是一种替代方法，通过QD尺寸直接控制颜色，可以提高器件的整体性能，为该行业提供了另一种追求这种定制照明的途径。但是，对电光转换效率的限制仍然是实现这一目标的障碍。QDLED技术正处于革命的边缘，在不久的将来，一定会出现发光发热的爆发点。