近日，香港科技大學(xué)、南方科技大學(xué)、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所等多家單位合作，在氮化鎵（GaN）同質(zhì)外延Micro-LED領(lǐng)域取得多項關(guān)鍵技術(shù)突破。相關(guān)研究發(fā)表于PhotoniX、Advanced Science等國際專業(yè)期刊。

研究團(tuán)隊成員劉弈镈博士、李子純博士分別為相關(guān)研究第一作者，劉召軍博士為通訊作者，思坦科技作為關(guān)鍵支持與合作單位，為相關(guān)研究承擔(dān)制備表征與示范應(yīng)用工作，助力實現(xiàn)高性能、高效率、高穩(wěn)定性GaN-on-GaN Micro-LED微顯示器件，為下一代近眼顯示應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。

首次展示高質(zhì)量GaN-on-GaN Micro-LED顯示器

氮化鎵（GaN）材料的Micro-LED因其卓越的亮度和穩(wěn)定性，被認(rèn)為是AR/MR應(yīng)用的最佳選擇。然而，傳統(tǒng)的藍(lán)寶石基底(GaN-on-Sapphire)異質(zhì)外延生長Micro-LED器件面臨著諸多挑戰(zhàn)，如高位錯密度導(dǎo)致的顯著波長偏移和效率下降等。這些問題不僅影響了顯示屏的整體性能，還限制了其在高亮度環(huán)境下的應(yīng)用效果。

在研究中，團(tuán)隊對同質(zhì)外延GaN-on-GaN Micro-LED進(jìn)行了從材料層面到系統(tǒng)集成的全面分析，這些內(nèi)容在其他研究中尚未涉及或驗證。

在材料特性方面，團(tuán)隊成功開發(fā)出基于自支撐GaN襯底（GaN-on-GaN）的同質(zhì)外延Micro-LED，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出卓越的晶體質(zhì)量，位錯密度低至約10? cm?²，相比傳統(tǒng)藍(lán)寶石基GaN外延降低了3–4個數(shù)量級。同時本征的應(yīng)變得到緩解，僅為異質(zhì)外延應(yīng)力的1.4%，接近于理想的無應(yīng)力狀態(tài)。

在器件表征層面，同質(zhì)外延結(jié)構(gòu)Micro-LED均表現(xiàn)出優(yōu)異的波長穩(wěn)定性和單色性。當(dāng)電流密度從10 A/cm2增大至500 A/cm2時，GaN-on-GaN藍(lán)光與綠光的峰值波長僅分別偏移4.79 nm和1.21 nm。此外，器件色域覆蓋達(dá)到Rec. 2020的103.57%，顯著優(yōu)于現(xiàn)有顯示標(biāo)準(zhǔn)。特別值得注意的是，藍(lán)光器件在高電流密度下仍能保持穩(wěn)定的色坐標(biāo)數(shù)值，并展現(xiàn)出優(yōu)異的高亮度輸出特性。這種性能使得GaN-on-GaN Micro-LED在高亮度和高色彩準(zhǔn)確度的應(yīng)用場景中具有極大的潛力，尤其是AR/MR等需要高顯示質(zhì)量的領(lǐng)域。

研究還成功實現(xiàn)了3000 PPI超高像素密度的微顯示陣列，面板尺寸為6.5*10.9 mm2，分辨率達(dá)1300*720，在強(qiáng)環(huán)境光下仍具備優(yōu)異的亮度和色彩均勻性，滿足AR/MR設(shè)備對高亮度、高對比度的苛刻要求。

本研究以“Ultra-low-defect homoepitaxial micro-LEDs with enhanced efficiency and monochromaticity for high-PPI AR/MR displays”為題發(fā)表于高影響力國際科技期刊PhotoniX。

垂直結(jié)構(gòu)+離子注入隔離，突破近眼顯示性能瓶頸

在另一項研究中，研究團(tuán)隊通過對比不同尺寸顯示產(chǎn)品的視場角需求，強(qiáng)調(diào)提升軸向亮度比擴(kuò)大視場角更關(guān)鍵。

由此，研究團(tuán)隊在技術(shù)路線與器件結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)突破，提出并制備了基于GaN-on-GaN襯底的垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED，并創(chuàng)新性地采用氟離子注入（F? implantation） 實現(xiàn)像素隔離，取代傳統(tǒng)感應(yīng)耦合等離子體（ICP）刻蝕工藝。

這一技術(shù)路線有效避免了ICP刻蝕導(dǎo)致的側(cè)壁損傷、非輻射復(fù)合和光學(xué)串?dāng)_問題，顯著改善了器件的電學(xué)與光學(xué)性能。實驗結(jié)果表明，離子注入器件的串聯(lián)電阻大幅降低，相同電壓下電流輸出能力更強(qiáng)，漏電流低至創(chuàng)紀(jì)錄的10?¹¹ A量級，開啟電壓穩(wěn)定約2.8 V，具備優(yōu)異的電接觸特性。

在光學(xué)方面，離子注入隔離的器件表現(xiàn)出更均勻的發(fā)光分布、更銳利的像素邊緣和更穩(wěn)定的發(fā)射波長（約413 nm），半高寬收窄至14 nm左右，顯示分辨率潛力顯著提升。

研究還提出了“顯示有效外量子效率（EQEeffective）”這一新評價指標(biāo)，通過FDTD光學(xué)仿真量化了實際觀看條件下的有效發(fā)光效率。結(jié)果表明，傳統(tǒng)臺面刻蝕結(jié)構(gòu)僅有約33.87%的光對顯示有效，而離子注入結(jié)構(gòu)因無側(cè)壁發(fā)光，其EQE幾乎全部為有效效率，特別適合AR/VR設(shè)備在高電流密度（＞100 A/cm2）環(huán)境下工作。

本研究以“Vertical GaN-On-GaN Micro-LEDs for Near-Eye Displays”為題發(fā)表于國際高級開放獲取期刊Advanced Science。（來源：思坦科技）