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國立陽明交大光電系與鴻海研究院攜手KAUST國際合作,突破InGaN紅光Micro-LED外部量子效率紀錄

Micro-LED為次世代顯示器之關鍵技術,擁有高亮度、高效率、高解析度與低耗能等諸多優點,使其於新興產品的創新應用潛力無窮,如車載顯示屏、AR/VR以及各種穿戴式與可攜式裝置等。為此,研究人員正嘗試使用紅(R)、綠(G)、藍(B)三種顏色的Micro-LED來實現全彩微型顯示器(full-color display)。隨著Micro-LED元件尺寸微縮,氮化銦鎵基(InGaN-based)的藍光與綠光Micro-LED仍可保持優異的外部量子效率(External Quantum Efficiency, EQE),但常見的磷化鋁鎵銦基(AlGaInP-based)的紅光LED卻會因尺寸微縮與溫度升高而有效率劇降之現象。所幸,研究人員發現InGaN紅光Micro-LED的尺寸與溫度效應皆相對較小,並可實現單一材料RGB全彩微型顯示,InGaN紅光Micro-LED技術發展也因此備受關注。然而,銦(In)含量高的InGaN紅光Micro-LED發光效率則會受限於量子侷限史塔克效應(Quantum-Confined Stark effect, QCSE),是故,如何提升其EQE遂成為該領域研究人員的重要課題。

國立陽明交通大學(NYCU)光電系郭浩中教授與鴻海研究院(HHRI)陳仕誠博士團隊以及沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(KAUST) Kazuhiro Ohkawa教授(InGaN紅光Micro-LED研究先驅)跨國合作,共同開發高效率InGaN紅光Micro-LED。如圖一所示,該元件設計有三項關鍵技術:(一)使用超晶格(Superlattice, SL)結構作為緩衝層,釋放紅光Micro-LED元件量子井(Quantum Well, QW)的應力,進而提高磊晶品質與減緩QCSE;(二)使用原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)鈍化處理(passivation),減少元件側壁的漏電流;(三)使用分佈式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflectors, DBR)提高元件的光萃取效率(Light Extraction Efficiency, LEE)。元件性能如圖二所示,直徑25 µm紅光InGaN Micro-LED EQE可達到5.02% @ 112 A/cm2,且efficiency droop僅有9.1%。除了微型顯示功用之外,由25 µm紅光InGaN Micro-LED所組成之陣列可實現高達271 MHz的調製頻寬,其傳輸位元速率可達350 Mbit/s。說明了InGaN紅光Micro-LED在實現單石整合(monolithic integration)全彩微型顯示與可見光通訊極具發展潛力。此研究成果《High-efficiency InGaN red micro-LEDs for visible light communication》已於今年七月發表在國際頂尖光電期刊Photonics Research,全文詳見https://doi.org/10.1364/PRJ.462050

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                                                                                       圖一 結合superlattice、ALD及DBR技術的InGaN紅光Micro-LED元件

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                                     圖二 (a) 25um InGaN紅光Micro-LED 外部量子效率-電流密度關係圖 (b) 各研究團隊InGaN紅光Micro-LED外部量子效率紀錄。

此外,陽明交大與鴻海研究院團隊也經由結合新穎奈米多孔分佈式布拉格反射鏡 (nanoporous distributed Bragg reflectors)與原子層沉積技術 (Atomic Layer Deposition),製作出當前最高調製頻寬(442 MHz)的極性黃綠光氮化鎵Micro-LED元件。該研究成果《Toward high-bandwidth yellow-green micro-LEDs utilizing nanoporous distributed Bragg reflectors for visible light communication》亦於今年七月刊登在國際頂尖光電期刊Photonics Research,全文詳見https://doi.org/10.1364/PRJ.462519

資料來源:2022/8/8
LEDinside

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