近日， 美國密歇根大學的研究人員利用局部應變技術(shù)成功研發(fā)出基于銦鎵氮（InGaN）多層量子阱（MQWs）納米柱結(jié)構(gòu)的RGB LED芯片。其中三種顏色的發(fā)光結(jié)構(gòu)均生長在單一像素之中。 該LED器件可以為微型顯示以及增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)提供潛在支持。
隨著增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的發(fā)展，對于顯示技術(shù)的而言，亮度、對比度、分辨率、設備壽命等等指標都面臨著新的挑戰(zhàn)。而基于微型顯示技術(shù)的設備具有可以單獨調(diào)整色彩的特性，因此能夠勝任這種日益增加的需求。
圖片1 RGB LED 像素制備流程圖（亞像素刻蝕、樣本平面化、電氣觸點形成）
LED的制備流程
首先，研究人員利用金屬有機化合物化學氣相淀積技術(shù)（MOCVD）在2英寸藍寶石襯底上生長多層InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)。其中銦（In）的比例以及量子阱結(jié)構(gòu)的厚度經(jīng)過精心設計以用來產(chǎn)生紅光，其波長大于600nm。并在量子阱結(jié)構(gòu)之上生長一層20nm厚的鋁鎵氮（Al0.2Ga0.8N）電子隔離層以及一層p型摻雜氮化鎵（GaN）觸點層。
如圖1所示，在第一步中，納米柱結(jié)構(gòu)通過鎳（Ni）掩膜板刻蝕實現(xiàn)，而顏色的變化通過局部應變技術(shù)實現(xiàn)。通過不同直徑的納米柱可以異質(zhì)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不同的應變效果。對于150nm直徑的納米柱，其可以光致激發(fā)出綠光，而50nm的納米柱可以產(chǎn)生藍光。紅光主要是從矩形量子阱結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生。
顏色的混色機理
首先，RGB三色平衡通過調(diào)整亞像素的面積實現(xiàn)。
紅光：160,000μm2
綠光：2050μm2
藍光：370μm2
而對于大面積的結(jié)構(gòu)，其應變也會越明顯。這種應變會導致整個光效的減小，其原因主要來自量子限制史塔克效應（QCSE），其中的電荷極化III族氮化物的化學鍵會產(chǎn)生一個額外的電場，這個電場會抑制電子與空穴的再結(jié)合。
除此之外，偏置電壓也對平衡RGB三色的輸出功率有一定的作用。在一般的微型顯示設備中，偏置電壓能夠穩(wěn)定的調(diào)解發(fā)光區(qū)域的功率輸出。
圖2 （a）輸出光譜與相對應的樣品圖片（b）每一個樣品光譜的CIE 1931色彩坐標
如圖2所示，每一種RGB的顏色組合都具有一個波長峰值，比如490nm（藍色）、518nm（綠色）、600nm（紅色）。同時，在兩種混合的樣品中還可以組合出黃色和青藍色。
而在色域方面，如圖2（b）所示，通過樣品的CIE1931坐標統(tǒng)計，研究人員發(fā)現(xiàn)這種LED技術(shù)的色域表現(xiàn)還存在一定缺陷。
結(jié)論
盡管目前該LED技術(shù)在色域方面還未能滿足廣色域顯示應用的需求，但是該器件在顯示效果方面具有良好的線性特性，有效的控制了顯示串擾問題。研究人員也表示，如果大幅提升外延生長技術(shù)以及優(yōu)化小直徑納米柱器件的電學特性，也許這種技術(shù)可以達到OLED顯示的水平。
參考文獻
Chung,K., Sui, J., Demory, B., & Ku, P.-C. (2017). Color mixing frommonolithically integrated InGaN-based light-emitting diodes by local strainengineering. Applied Physics Letters, 111(4), 41101.
http://doi.org/10.1063/1.4995561
