无须巨量转移技术就能实现全彩显示的Micro-LED概念

***交通大学光电工程学系郭浩中教授研究团队与厦门大学电子科学系吴挺竹博士和Flex-Photonics佘庆威博士、SIJ Technology Inc公司合作，在单一磊芯片上采用奈米结构应力调变技术与高精度的量子点喷涂技术，合作开发出单片式集成RGB Micro-LED元件，该研究成果展示了无须巨量转移技术就能实现全彩显示的Micro-LED概念，研究成果也分别被刊登在国际知名期刊《Scientific Reports》与《Photonics Research》。

由于蓝绿光的LED是由铟氮化镓基材料为主，因为晶体结构的关系，是一种压电材料，本身具有很强的内建电场，会影响主动区的发光波长与载子复合效率，这个现象称为量子史侷限塔克效应(quantum confined Stark effect; QCSE)，是困扰LED发光效率的主要原因之一，因此该研究团队利用QCSE的特性，在绿光磊芯片上通过环型奈米结构的制作，释放LED主动区的应力来实现波长调变的效果，并将发光波长由绿光调变至蓝光；由于奈米结构会牺牲掉部分发光面积而降低发光强度，且Micro-LED随着尺寸的减小，侧壁缺陷对芯片的影响程度则会变大，进而导致芯片发光效率的降低，因此郭教授研究团队导入了原子层沉积(ALD)薄膜钝化保护技术取代传统的电浆辅助化学气相沉积(PECVD)的方式，藉由ALD钝化保护层具有高致密度、高阶梯覆盖能力及有效的缺陷修复等特性，避免载子在芯片表面被缺陷捕捉，大幅提高了元件的发光强度，进而提升效率。

由于制备的每个RGB子像素的尺寸仅为3 μm * 10 μm，因此在小面积上实现量子点材料的精确喷涂也是该研究的一大亮点所在。该研究团队所采用的高精度量子点喷涂技术，可实现1.65 μm线宽的均匀喷涂（如图所示），喷涂精度可以很好地满足要求。

图片来源：Photonics Research

此外，因为奈米结构的设计使得外露的主动区面积增加，多数的量子点与主动区直接接触，如图所示，进阶的实现了非辐射能量转移（NRET）效应，提高了量子点材料的色转换效率。非辐射能量转移(NRET)是一种发生在两个发色团之间能量转移的一种机制，由德国科学家Theodor Förster提出。可将其描述为激发态上的施体发色团，在距离极靠近的情况下，可以透过偶极耦合的方式将能量传递给受体发色团，属于一种类似近场传输(即反应的作用距离远小于激发波长)，而LED的多重量子井与量子点即可视为两个发色团，并存在着施体与受体关系，只要在适当的距离之内，就可以发生非辐射能量转移机制，过去许多研究都利用这个机制来提升量子点的色彩转换效率。

图片来源：Photonics Research

综上所述，该联合研究团队开发了可实现全彩微显示的新型Micro-LED，并利用原子层沉积ALD技术改善了Micro-LED的发光效率，同时利用非辐射能量转移机制提升了量子点的色转换效率。该研究开发制备的量子点与奈米环Micro-LED技术，为实现Micro-LED的全彩显示提供了一种新思路与新方向。