前沿 | 超高性能同质外延Micro-LED：助力AR/MR显示革命性突破

研究背景

      近年来，显示技术领域取得了显著进展，彻底改变了我们与数字内容的互动方式，提升了视觉体验。在这些突破中，Micro-LED技术成为下一代显示系统的有力竞争者。凭借其前所未有的亮度、能效和成像质量，Micro-LED显示器有望引领高分辨率、沉浸式视觉体验的新纪元。Micro-LED技术与传统液晶显示器（LCD）和有机发光二极管（OLED）截然不同。Micro-LED显示器由独立的自发光微型发光二极管组成，每个二极管作为单独的像素工作。这一特性使得对每个像素的亮度和颜色控制更加精准，从而实现更清晰的图像、更广泛的色域和更出色的对比度。Micro-LED技术不仅有潜力重塑显示行业，还可能改变可见光通信（VLC）和生物医疗等领域。然而，LED随尺寸减小而造成的效率下降一直是发光领域的一个棘手问题。在显示应用中，这一挑战在Micro-LED上表现得尤为明显。以增强现实（AR）眼镜为例，尽管Micro-LED在低电流密度下相比OLED和QLED显示出更高的亮度，但AR眼镜的光学设计和波导系统在光传播过程中会导致显著的光损失。因此，提高发光效率可以确保低电流下的成像质量，并减少AR设备的功耗和发热。此外，在不同电流密度下保持稳定的发射波长，可以确保在变化的环境光条件下满足不同显示需求的色彩准确性。

论文导读

      强环境光条件下的亮度问题是限制增强现实（AR）和混合现实（MR）应用的关键障碍之一。氮化镓（GaN）材料的Micro-LED因其卓越的亮度和稳定性，被认为是AR/MR应用的最佳选择。然而，传统的异质外延生长Micro-LED器件面临着诸多挑战，如高位错密度导致的显著波长偏移和效率下降等。这些问题不仅影响了显示屏的整体性能，还限制了其在高亮度环境下的应用效果。本文首次展示了高质量的氮化镓基底同质外延结构（GaN-on-GaN）Micro-LED显示器，这一新型结构在克服传统技术缺陷方面显示出显著优势。通过优化生长工艺，GaN-on-GaN结构实现了更低的位错密度，进而减少了波长偏移和效率下降的现象。这种改进使得Micro-LED在高电流密度下能够保持更高的亮度，同时降低了功耗和发热。

      本研究于2024年8月14日以“Ultra-low-defect homoepitaxial micro-LEDs with enhanced efficiency and monochromaticity for high-PPI AR/MR displays”为题发表于PhotoniX。

主要研究内容

      本研究从材料特性到器件光电特性及微显示系统层面，全面分析了与蓝宝石基底(GaN-on-Sapphire)相比，自支撑GaN基底(GaN-on-GaN)的潜在优势。材料特性层面，GaN基底结构展现出优越的晶体质量，具有超低的位错密度(TDDs)约为10⁵ cm^-2，相较于传统异质外延结构小3-4数量级。相较于异质外延结构内部存在本征的压应力，同质外延本征的应变得到缓解，接近于理想的无应力状态(仅为异质外延应力的1.4%)。同时，同质外延的p-GaN层实现了更优越的电学接触，得益于高质量的晶体结构与欧姆接触表面。器件表征层面，我们对蓝光/绿光发射的GaN/蓝宝石基底Micro-LED进行深入的尺寸依赖光电性能分析，尺寸由100×100 μm²缩小至3×3 μm²，研究发现同质外延结构在开启电压，反向漏电，理想因子，串联电阻以及外量子效率等方面表现有显著改进。此外，发射波长稳定(蓝光为1.21 nm，绿光为4.79 nm @ 500 A/cm²)，高电流密度的效率下降比率显著降低(蓝光为15.6%，绿光为28.5% @ 500 A/cm²)，色域也得到了扩展(GaN-on-GaN Micro-LED的色域达到Rec. 2020的103.57%)。微显示系统集成层面，该研究实现了3000像素每英寸(PPI),分辨率1300×720，面板尺寸6.5×10.9 mm²的Micro-LED微显示器，GaN-on-GaN 同质外延结构展示出优于GaN-on-Sapphire的显示均匀性和更高的亮度，这些优势使得GaN-on-GaN Micro-LED显示器在强环境光条件下具备了更广泛的应用前景，为AR/MR技术的发展提供了重要支持。

技术突破

      阴极射线发光结果显示，GaN-on-GaN与GaN-on-Sapphire结构的位错密度分别为10⁵ cm^-2与10⁸ cm^-2，透射电子显微镜清晰地展示出GaN-on-Sapphire结构中量子阱区域嵌入的V形凹坑和倒金字塔结构。这些凹坑通常与位错相连，并作为异质外延中的应力释放中心。相比之下，在GaN-on-GaN同质外延结构中，V形凹坑很少被观察到，这主要是由于其较低的位错密度和几乎无应力的结构。由于外延层与基底之间不存在晶格和热失配，同质外延器件中的极化场相应地减小。此外，通过XRD摇摆曲线的FWHM对比可得知同质外延中的螺位错和刃位错密度明显减少。GaN-on-GaN结构拉曼散射光谱的峰值与无应力的GaN薄膜接近，时间分辨光致发光中的载流子寿命减小，揭示出GaN-on-GaN结构中的量子限制斯塔克效应(QCSE)显著降低，电子与空穴的复合效率增大。

      本研究中的同质外延结构Micro-LED实现了优越的单色性和波长稳定性。电流密度为10 A/cm²时，GaN-on-GaN蓝色和绿色Micro-LED的发射中心波长分别为455.6 nm和504.3 nm。对应的半高宽（FWHM）值分别为18.6 nm和23.5 nm。随着电流密度增大至500 A/cm²，蓝光与绿光的峰值波长偏移分别为4.79 nm和1.21 nm，这种差异来源于量子阱内铟组分波动，进而导致不同程度的QCSE。绿色光的波长偏移相对较大，表明其对电流密度变化的敏感性更高。在色彩空间方面，本文的Micro-LED能助力显示屏达到Rec. 2020的103.57%，具有宽色域的优势。特别值得注意的是，蓝光器件在高电流密度下仍能保持稳定的色坐标数值，并展现出优异的高亮度输出特性。这种性能使得GaN-on-GaN Micro-LED在高亮度和高色彩准确度的应用场景中具有极大的潜力，尤其是AR/MR等需要高显示质量的领域。

观点评述

      本文对同质外延Micro-LED进行了从材料层面到系统集成的全面分析，这些内容在其他研究中尚未涉及或验证。同质外延结构的Micro-LED在显示技术领域展现出巨大的发展潜力。通过本研究的分析，我们可以看到，GaN-on-GaN Micro-LED不仅实现了优越的单色性和波长稳定性，还在高电流密度下表现出优越的发光特性。随着材料科学和器件设计的不断进步，同质外延Micro-LED有望在提高亮度、降低功耗和扩展色域等方面取得更大突破。进一步优化量子阱结构设计和减少位错密度，将有助于提升器件的整体性能。此外，结合先进的制造工艺和集成技术，Micro-LED的应用范围将不断拓展，推动下一代显示与光电子技术的创新与发展。本研究得到了香港科技大学纳米系统制造实验中心、深圳市思坦科技、苏州纳维科技的大力支持。

主要作者

      刘弈镈，2019年本科毕业于南方科技大学电子系光电专业，并获得该系十佳毕业生称号。2024年博士毕业于香港科技大学先进显示与光电子技术国家重点实验室，博士攻读期间曾获Red Bird Award、SID显示青年领袖等奖项，导师为郭海成教授（先进显示与光电子技术国家重点实验室常务主任、美国国家发明家科学学院院士、香港科学院院士、亚太材料科学学院院士）和刘召军教授。刘博士现为国重实验室Post-doctoral Fellow。截至目前已发表期刊论文10余篇，包括PhotoniX、IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices、 ACS Applied Electronic Materials、Journal of Physics D: Applied Physics、Applied Physics Letter、Optics Express等旗舰期刊，其中第一作者7篇。已在显示旗舰会议SID Display Week、ICDT等发表会议论文10余篇并做多次口头报告，并获得2020、2022、2024年ICDT Distinguished Paper Award，2020、2024年两岸三地显示学研究生论坛Best Oral Presentation Award。2023年荣获SID’s inaugural Young Leadership。现研究方向为Micro-LED尺寸效应，可见光波段GaN同质外延衬底Micro-LED器件以及高PPI同质集成全彩化显示技术。

      刘召军，教授，国家级人才，南方科技大学工学院电子系副教授、研究员、博士生导师，香港科技大学电子与计算机工程系兼职副教授，南方科技大学Micro-LED研究中心负责人，深圳市思坦科技创始人。曾任卡内基梅隆大学访问教授、香港科技大学客座助理教授、中山大学副教授。2010年获得香港科技大学电子与计算机工程系哲学博士学位。他担任国际信息显示学会Micro-LED与量子点技术委员会主席、SID北京分会技术委员、Micro-LED技术分会委员、广东省Micro-LED联盟秘书长、香港青年科学家协会主席、Fellow of Vebleo，获得多项国际国内奖项。刘教授自2006年开始研究Micro-LED新型显示技术，其多项研究成果处于全球领先水平,发表国际高水平杂志和会议论文200多篇（8篇获得杰出论文Distinguished Paper与封面论文），做邀请报告40余次，出版中英文专著4本；申请国际国内专利300余项。担任国际会议组织委员会20余次。担任多家国际高水平学术期刊编辑、审稿人。

      徐科，研究员、博士生导师。1988-1995年就读于西安交通大学，获本科、硕士学位，1998年于中科院上海光学精密机械研究所获博士学位并留所工作。1999-2004年在日本千叶大学光电子研究中心、JST工作，先后参加JSTS项目、JST超高速省电力高性能纳米器件/系统研发工作，2004回国任教于北京大学，2006年加入中科院苏州纳米所，历任测试分析平台主任、所长助理、副所长。长期从事氮化物半导体材料的生长研究与装备研发，是InN材料窄带隙的早期发现者之一，近年发展了HVPE技术并研制成功2~6英寸氮化镓单晶材料，2013年获得国家杰出青年基金资助，2015年入选科技部中青年科技领军人才。曾第十三届中国科协“求是杰出青年奖”、全国产学研合作创新成果奖、中国科学院国际合作青年科学家奖、江苏省优秀科技工作者等。现任科技部战略先进电子材料专题组专家，中国电子学会高级会员、电子材料分会副主任委员、半导体与集成技术分会副主任委员，中国光学学会光学材料委员会副主任委员。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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