在纳米孔中插入量子点可制备高效可靠的microLED

　　由microLED制成的显示器因其使用寿命长、亮度高和效率出色而引起了极大的关注。一些科技巨头，如苹果（Apple）和三星（Samsung），正在利用巨量转移或纳米打印技术来开发microLED显示器。经过多年紧锣密鼓的发展，但几个关键技术问题仍在阻碍microLED前进步伐。那些红光LED受到低效率和热光衰的困扰，限制了显示器的性能；制备间距小于10μm的器件具有挑战性，而这是用于增强现实和混合现实的微型显示器的要求；随着LED尺寸的缩小，器件分拣变得更难且更昂贵。最令人担忧的是，生产成本很高。有助于解决所有问题的方法是色彩转换microLED，它使用在紫外或蓝色发光的芯片来泵浦量子点。以这种方式工作的器件具有许多特性，包括高量子产率、与尺寸有关的发射波长、窄的发射线宽和较短的发光寿命。此外，通过使用图案化和旋涂将量子点添加到衬底上，这类LED可以服务于广泛的应用。
　　图1.（a）电化学蚀刻工艺产生纳米多孔GaN。（b）GaN电化学蚀刻工艺的相图显示了蚀刻特性与GaN中的硅掺杂和所施加的偏压之间的关系。
　　制备基于量子点的、具有高光转换效率的色彩转换microLED的方法之一是在芯片上涂覆一层由量子点构成的厚膜。但这并不是一种理想的选择，因为传统量子点的添加会导致光提取和可靠性方面的问题。为了解决这些问题，来自康涅狄格州Branford市的Saphlux团队开发了一种纳米孔技术，可以将量子点嵌入到microLED中。这样就可以得到非常高效、可靠和低成本的器件。 纳米多孔 GaN我们通过将材料浸入酸性溶液中并施加偏压，在LED中形成纳米级孔隙，从而驱动n型GaN的电化学蚀刻（见图1（a））。通过改变施加的偏压或GaN中硅掺杂浓度，我们能够在电化学蚀刻行为中产生戏剧性的变化。如果我们向硅掺杂浓度低的GaN施加低偏置电压，则不会出现蚀刻现象；如果使用高偏置电压或高硅掺杂浓度，则会将GaN完全蚀刻掉（这称为电抛光）。为了形成纳米多孔GaN，我们绘制了这两种极端之间的变化过程，选择了适当的偏置电压和硅掺杂浓度。
　　图2.（a-c）具有不同孔隙率的纳米多孔GaN在不同的偏置电压下蚀刻的俯视图和（d-f）截面扫描电子显微镜图像。经美国化学学会许可转载。
　　使用扫描电子显微镜对纳米多孔GaN进行成像，可以评估硅掺杂浓度和施加的偏置电压对材料形态的影响（见图2）。显微镜显示，通过调节蚀刻电压，纳米孔的孔隙率和的大小都可以被改变。模拟结果表明，将纳米孔融入我们的LED中可以大大提高器件效率。对于聚合物薄膜中的平面量子点，光转换效率随着量子点层厚度的增加而线性增加，对10μm厚的量子点层而言，光转换效率最高仅为20％（见图3（a））。与之形成鲜明对比的是，当量子点填满纳米孔时，对于仅有5μm的膜厚，光转换效率超过80%。
　　图3.（a）分别装载在聚合物和纳米多孔GaN中的量子点（QD）的光转换效率（LCE）的模拟结果。两种样品均使用相同浓度的量子点。（b）分别在平面GaN和纳米多孔GaN上的红色量子点的光致发光光谱。
　　测量结果支持这些模拟结果。我们已经获得了加载在平面GaN上的红色发光量子点的光致发光光谱，并将这些结果与通过旋涂添加到纳米多孔GaN的点进行比较。使用420nm蓝色LED泵浦这些样品，我们从加载在平面GaN上的红色发光点观察到在650 nm处有一个微弱红色峰值（见图3（a））。当量子点被放置在纳米多孔GaN内时，光致发光强度攀升了近两个数量级，而蓝色激发峰的光致发光强度下降了类似的倍数。根据光致发光光谱，我们计算出纳米多孔GaN中红色发光量子点的光转换效率为91%。纳米多孔结构不但提高了效率，正如我们在高功率密度下的光激励测量所证明的那样，可靠性也得到了提高。当我们用420 nm蓝色激光器以大约25 W cm-2的光功率密度泵浦平面样品时，激发3小时后，红色发射的归一化强度下降到其初始值的20％。相比之下，当量子点被放置在纳米孔中时，相同的激发条件导致强度比初始值降低了55％。
　　图4.（a）来自GaN蓝宝石晶片上的红色纳米多孔量子点样品和量子点薄膜的红色发射的归一化功率强度的比较。两种样品均用420 nm蓝色激光激发3小时。（b）纳米多孔GaN吸收蓝光的模拟映射结果。（c）纳米多孔膜吸收蓝光的模拟映射结果。
　　我们转而通过模拟来理解纳米孔提高可靠性的原因。这些计算表明，纳米多孔GaN中的量子点吸收的最大功率强度为0.05，而平面量子点膜为0.39（见图4（b）和4（c））。吸收率提高了近8倍，大大延长了量子点的使用寿命。 用于显示器的量子点制作我们的显示器需要形成纳米多孔蓝色发光LED，然后将其中一部分放在一边，在另一部分涂上红色发光或绿色发光量子点（见图5）。在将红色和绿色发光量子点加载到不同区域之前，我们将裸露的纳米多孔GaN键合到电流驱动面板上。如果这些区域没有量子点，则发射蓝光；如果它们加载了量子点，则通过颜色转换产生红光或绿光。
　　图5. Saphlux的制造单片RGB microLED的方法。（a）将带有裸露的纳米多孔GaN的垂直蓝色LED键合在电流驱动器面板上。（b）红色量子点被选择性地加载到红色区域中。（c）将绿色量子点选择性地加载到绿色区域中。（d）分别从红色量子点区域，绿色量子点区域和没有任何量子点的区域发出的红色，绿色和蓝色光
　　利用这种方法，我们演示了一个尺寸为36μm×36μm的microLED阵列。它具有一个滤光片，可以阻挡红色和绿色子像素的蓝色背光。通过组合许多microLED，我们制作了一个带有我们公司标志的显示屏（见图6(b)）。我们现在正在制造纳米多孔GaN microLED阵列，并根据客户的需求定制像素尺寸。许多应用提供了广阔的市场前景，包括可穿戴设备、车辆显示器、智能手机以及各种形式的增强和虚拟现实设备。
　　图6.（a）Saphlux RGB单片微型LED由背面的蓝色LED光源激发。（b）由红色和绿色纳米多孔量子点microLED制成的公司徽标＂ SAPHLUX＂的图片。
　　除了这些努力之外，我们还制造了红色mini LED。同样，通过使用纳米多孔GaN将蓝色发射转换为红色来操作。我们演示了一系列器件，尺寸为250×750μm2，150×500μm2，和100×150μm2（有关这些LED的图像，请参见图7）。根据测量，我们已经达到了97%以上的转换红色纯度。这些器件，就像它们较小的兄弟姐妹一样，显示出很大的潜力。市场定位好，可以带动由微小、高效、可靠的LED制成的显示器的制造，这些显示器成本低廉，将有助于这个市场蓬勃发展。
　　图7.安装在PCB板上的100×150μm2红色纳米多孔量子点miniLED的照片（a），并以1 mA的注入电流点亮（b）。（c）（b）中所示的红色纳米多孔量子点LED的光谱。测试红色纳米多孔量子点miniLED的可靠性显示在30 W cm-2的可接受结果。对于大多数microLED应用而言，此功率密度绰绰有余。
　　扩展阅读
　　D. Peng et al. J. Disp. Technol. 12 742 (2016)H. -V. Han et al. Opt. Express 23 32504 (2015)J.-H. Kang et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 12 30890 (2020)C.-T. Lee Cheng et al. IEEE Photonics Technol. Lett. 27 2296 (2015)K.-B. Bae Lee et al. Phys. Status Solidi A 215 1700644 (2018)E. Jang et al. Adv. Mater. 22 3076 (2010)