Micro-RCLED，让全彩Micro-LED显示向成功又迈近了一步



 

封底文章| 《光学学报》第15期封底文章：李建军;曹红康;邓军;文振宇;邹德恕;周晓倩;杨启伟; 面向微显示的小电流655nm mirco-RCLED[J]. 光学学报, 2020, 40(15):1526002.

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       Micro-LED是指发光单元横向尺寸在50?m以下的LED，作为当前显示领域的热门研究方向，它具备高亮度、高分辨率及高色彩饱和度等特点，被誉为是次世代显示技术的霸主，其在自发射微显示器、微投影仪（Pico projector）及可穿戴设备（wearable devices）等领域有着巨大的潜在应用市场。

图1是苹果推出的新一代Micro-LED显示屏。然而，由于AlGaInP基红光LED的全内反射、电极和衬底吸收、以及侧壁的非辐射复合等效应，造成红光Micro-LED的效率普遍较低，成为制约全彩Micro-LED显示屏进一步发展的主要因素之一。

图 1 苹果推出的新一代Micro-LED显示屏(图片来自网络)

共振腔发光二极管（RCLED）是一种新型LED结构，它同时具备了传统LED和垂直腔面激光器（VCSEL）两者的优点。

北京工业大学光电子教育部重点实验室李建军教授课题组将纵向共振腔结构与横向AlAs侧向氧化技术相结合，实现了一种低电流、高效率的红光Micro-RCLED。

图2是有三个发光单元的Micro-RCLED结构示意图，每个单元的出光孔径为17 ?m。沿器件的垂直纵向，包括P型上DBR反射镜、N型下DBR反射镜及位于二者之间的谐振腔，量子阱发光有源区位于谐振腔之内。

从P型上电极注入的空穴和N型下电极注入的电子在量子阱有源区进行自发辐射复合，在共振腔结构的操控下，自发辐射在空间的强度分布不再是各向同性，而是将更多的光集中到了光提取角之内，从而有效避免了常规LED由于全内反射效应造成的光提取效率的降低。

图 2 Micro-RCLED 结构示意图

另外，N型下DBR反射镜的引入还降低了衬底的光吸收。沿器件的水平方向，采用了AlAs侧向氧化技术以形成高阻区，从而实现对横向电流有效限制在中心出光孔之内，不但有效避免了P电极的光吸收，而且阻遏了侧壁的非辐射复合，使器件的发光效率和可靠性得以提升。

图3是所制备的Micro-RCLED在不同驱动电流下亮度的变化情况，图中的电流值是三个单元的总电流，每个单的实际电流应将相应的数值除以3。由图可见，器件在100?A的电流下即可发出耀眼的光，即使在低至1μA的电流下仍可点亮单个单元。需要说明的是，常规LED的工作电流一般是20mA,因此，Micro-RCLED的工作电流降低了3至4个数量级。P-I特性测试表明，Micro-RCLED的外量子效率大于10%，远高于普通红光LED的2%。

另外，得益于谐振腔对光模式的操控，当工作电流密度增加12.5倍时，器件的峰值波长仅增加了1.5 nm，稳定的波长特别有利于全彩显示屏的精准色彩显示。

图3 Micro-RCLED不同驱动电流下的亮度变化

Micro-RCLED以其小尺寸、高效率、低电流和稳定的波长等优点，在微显示、微点光源和精准定位等领域，将会有良好的应用前景。当前的Micro-RCLED结构只是对光场的垂直轴向模式得到了有效提取，下一步工作课题组将通过进一步改进器件结构，希望能将限制在器件中的波导模也得到提取，实现器件的效率提高至50%以上。

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延伸阅读：

[1] 褚金金;崔桂华;柳耀武;等. 一种基于光谱可调LED光源和多光谱成像技术的物体表面颜色测量方法[J]. 光学学报, 2018, 38(8): 0833001.

[2] 班章;梁静秋;吕金光;等. 微型倒装AlGaInP LED阵列器件光电性能研究[J]. 光学学报, 2018, 38(9): 0923001.

[3] 马瑞青;廖宁放; RGB-LED光源下光源色度对颜色恒常性的影响[J].光学学报, 2019, 39(9): 0933001.

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[5] 靳永超;陈雄斌;毛旭瑞;等. 调制度对可见光通信系统性能的影响[J]. 中国激光, 2019, 46(5): 0506001.

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