前沿 | 超高性能同质外延Micro-LED：助力AR/MR显示革命性突破

撰稿人 | 刘弈镈

论文题目 | Ultra-low-defect homoepitaxial micro-LEDs with enhanced efficiency and monochromaticity for high-PPI AR/MR displays

作者 | 刘弈镈，王国斌，冯锋，张胡梦圆，袁正南，李子纯，徐科，郭海成，刘召军

完成单位 | 香港科技大学，南方科技大学，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏第三代半导体研究院

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

图1 (a), (e) 阴极射线发光(Cathodoluminescence)表征；(b), (f) 截面透射电子显微镜表征；(c), (d) 对称与非对称XRD摇摆曲线；(g) 拉曼散射光谱；(h) 时间分辨光致发光光谱。

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。

图2 (a) GaN-on-GaN蓝光与绿光Micro-LED电致发光光谱；(b) 出射波长偏移；(c) 蓝光 (b) 绿光随电流密度增大光谱变化；(e) 色彩空间中色坐标偏移；(f) (g) 蓝光与绿光色坐标具体数值；(h) GaN-on-GaN蓝光Micro-LED微显示图案。

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。

本文出处

发表于：PhotoniX

论文链接：

https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-024-00137-4

文献检索：

PhotoniX 5, 23 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00137-4

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