交大與SIJ合作推出可調變波長的全彩micro LED顯示器

國立交通大學光電工程學系郭浩中教授研究團隊與廈門大學電子科學系吳挺竹博士和Flex-Photonics佘慶威博士、SIJ Technology Inc公司合作,在單一磊晶片上採用奈米結構應力調變技術與高精度的量子點噴塗技術,合作開發出單片式集成RGB Micro-LED元件,該研究成果展示了無須巨量轉移技術就能實現全彩顯示的Micro-LED概念,研究成果也分別被刊登在國際知名期刊《Scientific Reports》與《Photonics Research》。

由於藍綠光的LED是由銦氮化鎵基材料為主,因為晶體結構的關係,是一種壓電材料,本身具有很強的內建電場,會影響主動區的發光波長與載子複合效率,這個現象稱為量子史侷限塔克效應(quantum confined Stark effect; QCSE),是困擾LED發光效率的主要原因之一,因此該研究團隊利用QCSE的特性,在綠光磊晶片上通過環型奈米結構的製作,釋放LED主動區的應力來實現波長調變的效果,並將發光波長由綠光調變至藍光;由於奈米結構會犧牲掉部分發光面積而降低發光強度,且Micro-LED隨著尺寸的減小,側壁缺陷對晶片的影響程度則會變大,進而導致晶片發光效率的降低,因此郭教授研究團隊導入了原子層沉積(ALD)薄膜鈍化保護技術取代傳統的電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)的方式,藉由ALD鈍化保護層具有高緻密度、高階梯覆蓋能力及有效的缺陷修復等特性,避免載子在晶片表面被缺陷捕捉,大幅提高了元件的發光強度,進而提升效率。

由於製備的每個RGB子像素的尺寸僅為3 μm * 10 μm,因此在小面積上實現量子點材料的精確噴塗也是該研究的一大亮點所在。該研究團隊所採用的高精度量子點噴塗技術,可實現1.65 μm線寬的均勻噴塗(如圖所示),噴塗精度可以很好地滿足要求。

圖片來源:Photonics Research

此外,因為奈米結構的設計使得外露的主動區面積增加,多數的量子點與主動區直接接觸,如圖所示,進階的實現了非輻射能量轉移(NRET)效應,提高了量子點材料的色轉換效率。非輻射能量轉移(NRET)是一種發生在兩個發色團之間能量轉移的一種機制,由德國科學家Theodor Förster提出。可將其描述為激發態上的施體發色團,在距離極靠近的情況下,可以透過偶極耦合的方式將能量傳遞給受體發色團,屬於一種類似近場傳輸(即反應的作用距離遠小於激發波長),而LED的多重量子井與量子點即可視為兩個發色團,並存在著施體與受體關係,只要在適當的距離之內,就可以發生非輻射能量轉移機制,過去許多研究都利用這個機制來提升量子點的色彩轉換效率。

圖片來源:Photonics Research

綜上所述,該聯合研究團隊開發了可實現全彩微顯示的新型micro-LED,並利用原子層沉積ALD技術改善了Micro-LED的發光效率,同時利用非輻射能量轉移機制提升了量子點的色轉換效率。該研究開發製備的量子點與奈米環Micro-LED技術,為實現Micro-LED的全彩顯示提供了一種新思路與新方向。
 

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