本期，我們邀請(qǐng)到中南大學(xué)教授、微電子科學(xué)與工程系副主任汪煉成帶來了“先進(jìn)GaN基LED器件研究-從半導(dǎo)體照明到Micro-LED顯示和可見光通信”的精彩主題分享，以下為主要內(nèi)容：
一、LED及半導(dǎo)體照明基礎(chǔ)和背景
應(yīng)用于LED的氮化物材料，包括GaN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN二元及多元化合物，它有兩個(gè)非常顯著的特點(diǎn)：一是理論上，通過調(diào)節(jié)化合物的三族組分比例，III族氮化物半導(dǎo)體可以覆蓋整個(gè)可見光區(qū)域、部分紅外線和深紫外線區(qū)域；比如In 組分為0.15-0.2左右的InGaN組分在藍(lán)綠光區(qū)域，而AlGaN則在紫外區(qū)域；二是在整個(gè)合金范圍內(nèi)都為直接帶隙半導(dǎo)體。這一點(diǎn)非常重要。這兩個(gè)特點(diǎn)使得氮化物材料非常適合作為發(fā)光材料。
氮化物L(fēng)ED的原理就是電子和空穴分別從n型GaN和p型GaN注入到設(shè)定深度的量子阱內(nèi)，輻射復(fù)合而發(fā)光。目前氮化物L(fēng)ED的成熟外延材料一般在藍(lán)寶石襯底上形成，依次包括：u-GaN, n 型GaN,多量子經(jīng)，AlGaN電子阻擋層，p型GaN。
目前氮化物L(fēng)ED的器件結(jié)構(gòu)主要有正裝結(jié)構(gòu)，倒裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)。正裝結(jié)構(gòu)LED是最簡單的，也是最常見的，因?yàn)樗{(lán)寶石的絕緣性質(zhì)，所以通過刻蝕臺(tái)面把n 型GaN層暴露，然后進(jìn)一步沉積透明電極，金屬電極和側(cè)壁絕緣物，完成器件制作。倒裝結(jié)構(gòu)LED則是把正裝LED倒扣，倒裝焊接到另外基板上，這樣就不需要打線，可以更好散熱和更高功率。但是正裝和倒裝結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石襯底都還在，并且電流都是側(cè)向流通，垂直結(jié)構(gòu)則是去掉藍(lán)寶石襯底，將外延層材料轉(zhuǎn)移到異質(zhì)襯底，比如銅，硅上，實(shí)現(xiàn)垂直電流注入和更好的光熱電性能。
氮化物L(fēng)ED看似好像很簡單，但實(shí)際經(jīng)歷了很長的一個(gè)發(fā)展歷程，主要受限制于兩個(gè)技術(shù)瓶頸：一是藍(lán)寶石和GaN晶格不匹配，使材料質(zhì)量非常低；二是 p-GaN 一般通過Mg摻雜，但是Mg和生長中的形成絡(luò)合物。2014諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主授予了Nakamura, Amano等單位日本科學(xué)家，他們通過兩步法生長和高溫退火激活解決了這兩個(gè)難題，LED的效率得到顯著的提升。氮化物L(fēng)ED的技術(shù)進(jìn)步極大促進(jìn)了LED的半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展，LED燈具基本流程如圖所示，依次為外延，芯片制程，然后封裝，模組化成燈具。
從2004年左右科技部和中科院成立國家級(jí)的研發(fā)聯(lián)盟和平臺(tái)開始，我國半導(dǎo)體照明科研和產(chǎn)業(yè)在最近20年都得到了加速的發(fā)展。相關(guān)團(tuán)隊(duì)獲得多項(xiàng)國家級(jí)的科技獎(jiǎng)項(xiàng)，包括李晉閩團(tuán)隊(duì)：高光效長壽命半導(dǎo)體照明關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化，2019國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)；江風(fēng)益團(tuán)隊(duì)：硅襯底高光效GaN基藍(lán)色發(fā)光二極管”2015年國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。李晉閩團(tuán)隊(duì)還獲得“低熱阻高光效藍(lán)寶石基GaN LED材料外延及芯片技術(shù)”，國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。獎(jiǎng)項(xiàng)包括科研和產(chǎn)業(yè)，涵蓋半導(dǎo)體照明的材料生長，芯片制造和封裝各個(gè)環(huán)節(jié)。
二、Micro-LED顯示和可見光通信
GaN LED器件作為半導(dǎo)體照明的核心芯片，半導(dǎo)體照明的發(fā)展也促進(jìn)拉動(dòng)和催化了LED作為光源器件在其他方向的發(fā)展，包括Micro-LED顯示和可見光通信。
1.Micro LED技術(shù)特點(diǎn)
Micro LED技術(shù)，即LED微縮化和矩陣化技術(shù)。指的是在一個(gè)芯片上集成高密度微小尺寸的LED陣列，如LED顯示屏每一個(gè)像素可定址、單獨(dú)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮，可看成是戶外LED顯示屏的微縮版，將像素點(diǎn)距離從毫米級(jí)降低至微米級(jí)。
相比傳統(tǒng)的液晶顯示，包括LED背光的液晶顯示、OLED顯示，Micro LED技術(shù)具有諸多特點(diǎn)：
自發(fā)光無需背光源（相對(duì)LED背光的液晶和量子點(diǎn)顯示）；電光轉(zhuǎn)換效率更高，功耗低；穩(wěn)定性好，使用壽命長（相對(duì)有機(jī)OLED顯示）；無尺寸發(fā)展限制（只需要擴(kuò)大Micro LED矩陣的數(shù)目和尺寸即可，不象液晶顯示非常受限于液晶面板的大小，液晶面板的尺寸升級(jí)需要巨大的資金投入和技術(shù)壁壘）；超快速切換時(shí)間（Micro LED的切換時(shí)間，決定于載流子的復(fù)合壽命，主要在ns級(jí)，而比如OLED顯示，其切換時(shí)間在微秒級(jí)別）。
美國德州理工的H. X. Jiang團(tuán)隊(duì)在很早報(bào)道了Micro LED，10×10 陣列連線布局，目前有中科院半導(dǎo)體所，香港科技大學(xué)、深圳南方科技大學(xué)，廣東半導(dǎo)體研究院，福州大學(xué)等；而業(yè)界公司有三星、Luxvue、Mikro Mesa、索尼、Playnitrides等。Micro LED技術(shù)不斷推進(jìn)：無源驅(qū)動(dòng)到有源驅(qū)動(dòng)，單色顯色到全彩顯示，低分辨率到高分辨率，單純顯示功能到顯示通信功能集成。產(chǎn)業(yè)上大公司投資收購動(dòng)作頻頻：2014年蘋果公司收購Luxvue，F(xiàn)acebook收購沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)公司Oculus，夏普收購MicroLED的新創(chuàng)公司eLux，Google注資瑞典Micro LED制造商Glo。
2.RGB三色LED法
Micro LED顯示在系統(tǒng)技術(shù)上主要是全彩化和巨量轉(zhuǎn)移。每個(gè)LED脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流驅(qū)動(dòng)，通過設(shè)置電流有效周期和占空比來實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光。例如一個(gè)8位PWM全彩LED驅(qū)動(dòng)芯片，可以實(shí)現(xiàn)單色LED的28=256種調(diào)光效果，對(duì)于一個(gè)含有三色LED的像素理論上可以實(shí)現(xiàn)256立方種顏色顯示單個(gè)像素中的每個(gè)LED都有一定的半波寬(半峰寬越窄，LED的顯色性越好)和光衰現(xiàn)象，產(chǎn)生LED像素全彩顯示的偏差問題。
3.UV/藍(lán)光LED+發(fā)光介質(zhì)法
將發(fā)光介質(zhì)通過噴涂法在UV/藍(lán)光LED上面，每個(gè)單元含有三個(gè)發(fā)光單元。熒光粉顆粒的尺寸較大，約為1-10微米，隨著micro-LED 像素尺寸不斷減小，熒光粉涂覆變的愈加不均勻且影響顯示質(zhì)量。
臺(tái)灣交通大學(xué)郭浩中教授和南方科技大學(xué)孫小為教授在量子點(diǎn)彩色化方面做了不少工作。還有其他一些方法，比如三色棱鏡法將紅、綠、藍(lán)三色的micro-LED陣列分別封裝在三塊封裝板上，并連接一塊控制板與一個(gè)三色棱鏡。通過驅(qū)動(dòng)面板來傳輸圖片信號(hào)，調(diào)整三色micro-LED陣列的亮度以實(shí)現(xiàn)彩色化，并加上光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)微投影。
Micro-LED顯示需要將巨量的micro-LED芯片從母板上轉(zhuǎn)移到具有驅(qū)動(dòng)電路的基板上組裝，矩陣化，實(shí)現(xiàn)顯示功能。巨量轉(zhuǎn)移是個(gè)很關(guān)鍵的技術(shù)。臺(tái)灣工研院，蘋果，X-celeprint等開發(fā)形成了巨量轉(zhuǎn)移的專利和技術(shù)，大致是基于靜電，范德華力，重力以及卷對(duì)卷印刷技術(shù)。
X-celeprint的范德華力轉(zhuǎn)印是從美國西北大學(xué)院士John Rogers，柔性電子的先驅(qū)孵化出來的。轉(zhuǎn)印包括三個(gè)物體，印章，芯片和襯底的兩個(gè)界面，芯片/襯底以及印章/芯片。在拿取芯片的時(shí)候，快速提取，使得印章/芯片的界面力大于芯片/襯底的界面力，從而吸取芯片同原襯底分離；在放置的時(shí)候，緩慢下降，使印章/芯片的界面力小于芯片/新襯底的界面結(jié)合力，于是實(shí)現(xiàn)芯片放置和轉(zhuǎn)移。
當(dāng)然這是個(gè)非常不錯(cuò)的技術(shù)，但是也許存在可靠性方面問題：一方面，為了減少芯片/原襯底界面結(jié)合力，需要蝕刻犧牲等方法底切界面。這對(duì)GaN材料其實(shí)沒那么容易，因?yàn)镚aN材料很難被蝕刻。另一方面，芯片通過范德華力和新襯底結(jié)合的可靠性問題，也許需要更進(jìn)一步的退火等工藝來加固芯片/新襯底的界面力?？偠灾琈icro-LED巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)應(yīng)該來說取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，但是在可靠性，良率和轉(zhuǎn)移速度等方面還需要進(jìn)一步提高。
4.可見光通信技術(shù)
可見光通信通過人眼識(shí)別不了的高頻來控制LED燈的明暗，明代表1，暗代表0，接收端通過傳感器來接收光信號(hào)，傳輸二進(jìn)制信號(hào)。
可見光通信具有以下優(yōu)點(diǎn)：
國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)對(duì)可見光通信進(jìn)行了你追我趕式的研究?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)國內(nèi)外研究進(jìn)展代表性成果如下圖：
產(chǎn)業(yè)化方面，英國愛丁堡大學(xué)hass教授組孵化出來的purelifi 公司和法國的oledcomm公司。purelifi 公司和英國電信商沃達(dá)豐合作，進(jìn)行了可見共通信的一些應(yīng)用場景展示，他們也提供解決方案。oledcomm公司開發(fā)了可見光通信的模塊，所謂的LiFiMAX® Discovery Kit，可以安裝在房間屋頂，然后插上類似U盤，可以實(shí)現(xiàn)可見通信的家居和辦公。
可見光通信的進(jìn)一步發(fā)展還需要突破或者考慮：1.技術(shù)數(shù)據(jù)上行；2.功能通照、通顯一體化系統(tǒng)；3. 應(yīng)用場景突破；4. 可見光污染防控；5.光源帶寬拓展
除了Micro-LED顯示和可見光通信的LED新應(yīng)用LED在植入式光療，柔性顯示，高質(zhì)量的半導(dǎo)體照明等其他新的應(yīng)用方面，LED器件本身面臨問題和挑戰(zhàn)。需要針對(duì)具體應(yīng)用，對(duì)LED器件研發(fā)和設(shè)計(jì)。并不是一個(gè)LED器件可以包打天下，能滿足所有需要，那不現(xiàn)實(shí)也不太可能。
三、LED器件新應(yīng)用面臨問題和挑戰(zhàn)
總的來說，在包括高質(zhì)量半導(dǎo)體照明、Micro-LED顯示、可見光通信、柔性顯示和植入式生物醫(yī)療等應(yīng)用場景，LED器件本身面臨發(fā)光側(cè)壁效應(yīng)，發(fā)光半高寬，柔性制造和可靠性，發(fā)光光束，直調(diào)速率，集成系統(tǒng),顯色性和效率等問題和挑戰(zhàn)。
1. 問題和挑戰(zhàn)-1：Micro-LED 側(cè)壁效應(yīng)
傳統(tǒng)LED面積比較大，其具有數(shù)百微米的邊緣側(cè)壁，側(cè)壁效應(yīng)中并不重要。Micro-LED尺寸非常小，側(cè)壁效應(yīng)顯著甚至是致命的。Micro led制作過程中的干法蝕刻會(huì)引入很多的側(cè)壁缺陷，會(huì)成為表面復(fù)合和非輻射復(fù)合的通道，導(dǎo)致發(fā)光效率降低和發(fā)光均勻性等問題。下圖來自河北工業(yè)大學(xué)張紫輝教授的optics express文章，可以看出，當(dāng)傳統(tǒng)led和micro led具有絕對(duì)面積一樣的側(cè)壁時(shí)，micro led的效率會(huì)急劇降低。
Micro LED的峰值效率通常低于10%，而Micro LED通常必須以非常低的電流密度運(yùn)行,所以Micro LED效率非常低，功耗比例大。提高效率的辦法包括引入新的Micro LED芯片設(shè)計(jì),使得Micro LED在額定工作電流下可以具有比較高的效率，另外要改進(jìn)Micro LED制造技術(shù)，包括刻蝕工藝優(yōu)化，表面鈍化層沉積等。
2. 問題和挑戰(zhàn)-2 ：Micro-LED光束調(diào)控
LED 光為近似瑯勃光源，它的發(fā)光輻射強(qiáng)度和亮度等呈現(xiàn)瑯勃分布規(guī)律。隨著Micro LED像素縮小，側(cè)壁面積占整體表面積比增大，側(cè)壁發(fā)光占據(jù)很大成分，不可忽視。
在Micro顯示中影響比較大，會(huì)帶來比較大的串?dāng)_效應(yīng)：（1）RGB三芯片彩色化中，Micro LED像素單元發(fā)光會(huì)串?dāng)_到相鄰像素，而此像素LED可能為關(guān)閉的，這就會(huì)影響相鄰像素的黑色水平，因?yàn)槔硐肭闆r此像素是完全關(guān)閉不發(fā)光顯示的，從而影響顯示的對(duì)比度，黑色水平；（2）對(duì)光致熒光（QD)彩色化Micro LED顯示來說，同一個(gè)像素單元的比如藍(lán)光Micro LED發(fā)光可能會(huì)激發(fā)同一像素里的紅綠色熒光粉，降低顯示的色純度、飽和度等。Micro LED 光束調(diào)控不僅包括Micro LED本身發(fā)光光束的調(diào)控，也包括光致彩色光的光束調(diào)控和管理。
Micro LED 顯示與 LED-LCD，QD-LCD，或薄膜OLED， QD LED主動(dòng)發(fā)光均不同，適合點(diǎn)陣式Micro LED 顯示的光束調(diào)控（非相干光波動(dòng)光學(xué)調(diào)控、瑯勃光源幾何光學(xué)調(diào)控、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，如側(cè)壁反射膜，圍壩等）。LED的光譜半高寬有20nm左右，在時(shí)域和頻域是非相干的；空間出光瑯勃分布，在空間也是非相干的?，F(xiàn)在研究比較多的metasurface等一般是基于相干光的激光的光束整形，即beam shaping, 對(duì)非相關(guān)LED光的metasurface，共振腔等波動(dòng)光學(xué)調(diào)控還需要進(jìn)行探索和研究。
幾何光學(xué)調(diào)控主要是芯片的塑形，Micro LED芯片主要是矩形的，基于矩形的比如側(cè)壁塑形，甚至不同形狀芯片，比如六邊形、三角形等將對(duì)它的光束光場分布產(chǎn)生影響，并且產(chǎn)生的效果和傳統(tǒng)LED不太一樣的效果。
Micro LED芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造，包括幾何光學(xué)的一些比如側(cè)壁塑形，也包括比如側(cè)壁反射鏡，底部反射鏡等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造。臺(tái)灣交通大學(xué)郭浩中教授在photonics research 上報(bào)道了基于光刻膠的圍壩結(jié)構(gòu)和工藝，就是在Micro LED芯片周圍噴涂一圈光刻膠，吸收側(cè)壁發(fā)出的光，從而降低像素串?dāng)_。
Micro LED芯片的光束調(diào)控和用于顯示的串?dāng)_因素可能還同具體的Micro LED芯片結(jié)構(gòu)、尺寸以及Micro LED陣列的間距等相關(guān)。LED外延材料差不多6-10微米厚，當(dāng)前Micro LED尺寸可以到10微米甚至以下，Micro LED芯片的尺寸和厚度相當(dāng)，而一般藍(lán)寶石襯底在100微米以上，Micro LED芯片用于Micro LED顯示還是必然要把藍(lán)寶石襯底去除，一般是通過倒裝或者垂直結(jié)構(gòu)LED，再激光剝離，這樣就把芯片有源層倒置在下面了，也就是有源層離表面有芯片的厚度，6-10微米厚。在越小間距情況下，相鄰像素和像素內(nèi)不同色彩單元的串?dāng)_，相比有源區(qū)如果在芯片頂部的話會(huì)越嚴(yán)重。這是Micro LED芯片和尺寸，間距的可能影響。
3. 問題和挑戰(zhàn)-3： Micro-LED直調(diào)速率
Micro LED面試具有快速切換能力，由于載流子復(fù)合壽命ns級(jí)別（300MHz），相比OLED μs提高。但5G+4K顯示和可見光通信應(yīng)用仍需進(jìn)一步提高；目前可見光通信Micro LED極高電流密度（KA/cm2）獲得小的差分載流子壽命（效率低，散熱難，實(shí)際應(yīng)用認(rèn)為不可?。?o:p style="word-break: break-all; text-size-adjust: none;">
影響GaN LED直調(diào)速率的因素有：
（1）材料：GaN/InGaN量子阱壓電極化場，使電子和空穴分開（半極性、非極性材料，微納結(jié)構(gòu)LED）
（2）器件：常規(guī)大面積器件（200μm)大的電容，RC效應(yīng)[Micro-LED]。
（3）白光LED器件：斯托克斯轉(zhuǎn)換慢，熒光發(fā)光慢[新型熒光材料（QD、Conjure polymer)，三色LED]
（4）Purcell效應(yīng)（光學(xué)共振腔、等離激元）利用。
（5）激光器、超輻射二極管通信（不同于Micro-LED，有電流閾值，電流密度高）
另外，可以通過利用purcell效應(yīng)來提高發(fā)光效率和調(diào)制速度。Purcell效應(yīng)告訴我們，物質(zhì)的發(fā)光性能不僅僅由物質(zhì)本身性質(zhì)決定，同時(shí)也受到環(huán)境模式太密度的影響?；诖?，可以設(shè)計(jì)人工結(jié)構(gòu)，比如共振強(qiáng)和金屬等離激元來提高LED直調(diào)速率。金屬等離激元是由于具有很小的模式體積，而共振腔的品質(zhì)因子很高。南京大學(xué)劉斌教授課題組在等離激元增強(qiáng)發(fā)光方面做了很多漂亮的工作。但也正由于等離激元的模式體積小的特點(diǎn)，使得它的作用距離比較短，需要使金屬等離激元離有源區(qū)的距離比較近，這會(huì)增加器件短路的風(fēng)險(xiǎn)。另外，金屬本身會(huì)使發(fā)光quench, 因此需要平衡purcell增強(qiáng)和發(fā)光quench兩方面的因素。
基于激光器、超輻射二極管可見光通信有不少報(bào)道，光源帶寬和通信速率得到極大增強(qiáng)，但是激光器、超輻射二極管都存在電流閾值，工作電流密度高，同時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光照面積大小，人體潛在危害性比較大。LED在這方面具有優(yōu)勢(shì)。
4. 問題和挑戰(zhàn)-4：Micro-LED發(fā)光半高寬
Micro-LED發(fā)光半高寬會(huì)影響Micro LED顯示的對(duì)比度。對(duì)于RGB三芯片彩色化：Micro LED發(fā)光半高寬影響顯示色閾、色純度；光致熒光（QD)彩色化：Micro LED發(fā)光影響藍(lán)色色閾。雖然Micro LED發(fā)光半高寬目前為20nm左右，能有一個(gè)比較好的顯示效果。但是進(jìn)一步提高顯示閾值和色純度等，還需要降低半高寬。
可能有人會(huì)覺得直接用激光器就是，因?yàn)榧す馄骶哂袠O窄的半高寬，但是Micro LED結(jié)構(gòu)簡單，沒有電流驅(qū)動(dòng)閾值?；诩す庑酒腄MD投影和電視最近有很多產(chǎn)品，包括海信等，但是也有他的問題，而且和Micro LED顯示是完全不同的技術(shù)路線了。而激光芯片直接像素顯示似乎無人報(bào)道，技術(shù)難度，功耗，驅(qū)動(dòng)控制等問題很大。另外，Micro LED顯示單像素點(diǎn)的亮度并不需要很大，所以激光的高強(qiáng)度并無必要。
5. 問題和挑戰(zhàn)-5：柔性制造和可靠性
柔性Micro LED在柔性顯示、植入式生物醫(yī)療等有潛在應(yīng)用。柔性顯示目前應(yīng)用基本上是基于有機(jī)AMOLED材料和技術(shù)。美國西北大學(xué)John Rogers組，通過Laser lift off和Transfer Printing, 將Micro LED在柔性顯示、植入式生物醫(yī)療。但是正如在巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)中討論的，需要將GaN/襯底界面先底切蝕刻，才能實(shí)行轉(zhuǎn)印。而GaN/襯底界面是比較難以蝕刻的，這增加了柔性制造和轉(zhuǎn)移的困難以及可靠性，成功率和工藝復(fù)雜性。
iBeam Materials公司報(bào)道了基于金屬薄膜襯底的直接外延生長（GaN-on-metal），制造柔性LED。但是并無更多的相關(guān)LED質(zhì)量，良率等方面的繼續(xù)報(bào)道。總之，柔性LED和Micro存在制造工藝復(fù)雜性、可靠性、效率和良率等問題。
6. 問題和挑戰(zhàn)-6：發(fā)光效率和顯色性
這里發(fā)光效率指白光LED的流明效率。半導(dǎo)體照明經(jīng)過快速的發(fā)展，其發(fā)光效率已經(jīng)可以達(dá)到250lm/W以上。隨著進(jìn)一步的深化和要求提高，半導(dǎo)體照明的質(zhì)量要求也在提高，包括顯色性，色溫等。
但是白光LED發(fā)光效率和顯色性存在平衡矛盾：人眼峰值相應(yīng)550nm，理論上在此波長下可以獲得最大的發(fā)光效率，但是提高 CRI需要擴(kuò)展光譜, 而這將降低發(fā)光效率。如何降低白光LED發(fā)光效率droop，如何在維持甚至提高其顯色指數(shù)下提高發(fā)光效率是個(gè)需要探討研究的問題。
7. 問題和挑戰(zhàn)-7：LED光電/光系統(tǒng)集成
LED光電/光系統(tǒng)集成對(duì)本身LED器件的結(jié)構(gòu)性能等提出要求。LED光電/光系統(tǒng)集成包括照明、顯示和光通信的功能集成，如顯通、照通、顯照甚至顯照通，高效高顯色性、高分辨率高對(duì)比度和高速寬帶寬的性能集成，大功率、高密度和高頻驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)集成。GaN 材料和Si等材料的異質(zhì)材料集成， GaN LED和Si CMOS、GaN HEMT等功能單芯片集成，三維/曲面/柔性異質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)形態(tài)集成。GaN LED和探測(cè)器、光波導(dǎo)等片上光通信集成。
四、課題組先進(jìn)LED器件研究進(jìn)展
我們主要是圍繞先進(jìn)LED器件，面向在半導(dǎo)體照明，可見共通信和Micro LED顯示方面的器件問題和挑戰(zhàn)，從器件物理，器件結(jié)構(gòu)和器件工藝，進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)制造和分析，研發(fā)比如低功耗，高光效，快速調(diào)制LED器件，也取得了一點(diǎn)點(diǎn)的成果。
1. 研究進(jìn)展-I：低電壓LED
主要是從金屬半導(dǎo)體接觸：機(jī)制、工藝，歐姆接觸是影響LED電壓和功耗的重要因素。通過原位高溫沉積，選擇性蝕刻沉積，原位插入層等工藝解決p-GaN 功函數(shù)大、接觸電阻大、氮極性面GaN金屬接觸等問題，實(shí)現(xiàn)世界最低、接近理論極限值的LED正向工作電壓VF (2.75V@350mA, 3.04V@1000 mA)—傳統(tǒng)商業(yè)LED 3.2V@350mA。 這是LED電壓晶圓掃描圖，可以看出90%的LED器件電壓在2.8-2.9V，非常高的良率。
低功耗LED實(shí)現(xiàn)得益于各個(gè)界面的接觸電阻的降低，各個(gè)擊破。對(duì)于激光剝離后的N極性面的歐姆接觸，我們比較了平整N面和濕法蝕刻后粗化N面，發(fā)現(xiàn)平整N面具有更低的比接觸電阻率，到-6級(jí)別。這是由于激光剝離造成界面一些缺陷，可以作為界面的隧穿通道。
在p-GaN面，我們通過原位高溫沉積Ni/Ag/Pt/Au，同時(shí)獲得了低比接觸電阻率，-5級(jí)別，高反射率和高黏附性的p面歐姆接觸反射鏡，我們理解分析主要是通過控制金屬原子的橫向和縱向遷移。
我們也研究了石墨烯透明電極在LED里應(yīng)用。由于石墨烯和p-GaN具有比較高的勢(shì)壘差，導(dǎo)致較大的勢(shì)壘高度和電阻。通過在石墨烯和p-GaN間插入金屬納米顆粒，外界摻雜等作用，有效降低了界面電阻。
另外也通過原位生長pn隧穿結(jié)，刻克服了石墨烯和p-GaN直接接觸，獲得的TJ LED+Grap:3.99 V@20 mA, LOP = 10.8 mW，而Ref LED+ITO:3.36 V@20 mA, LOP = 12.6 mW。
電流擴(kuò)展是個(gè)很古老的話題，但是對(duì)于LED器件電壓的降低和效率的提升非常的重要。但是對(duì)于電流擴(kuò)展與效率droop的關(guān)系還沒有一個(gè)定量化的研究。傳統(tǒng)的ABC效率模型默認(rèn)載流子，電流在LED器件是均勻分布的，但其實(shí)電流分布是不均勻的。
我們?cè)谶@里把電流擴(kuò)展的因素代入到傳統(tǒng)ABC模型，得到了電流擴(kuò)展與效率droop的關(guān)系，并且明確了：一是電流擴(kuò)展長度是縱向比接觸電阻率，和橫向接觸電阻的比值開方。這對(duì)于我們進(jìn)行LED電極設(shè)計(jì)非常重要。二是LED的wall plug效率并不是縱向比接觸電阻率越小越好，因?yàn)樵叫?，不利于電流的橫向擴(kuò)展，會(huì)影響LED的效率。當(dāng)然也不能大，增加LED的工作電壓。所以對(duì)于wall plug效率來說，縱向比接觸電阻率存在最佳值。
2.研究進(jìn)展-II：微納LED制造
針對(duì)大面積，多形態(tài)微納表面結(jié)構(gòu)快速制造難技術(shù)問題，我們開發(fā)了膠體特爾伯特光刻和低成本高效大面積無缺陷 (120μm2)自組裝微納制造的工藝。LED光功率提高到原來的2.5倍。
3.研究進(jìn)展-III:柔性Micro-LED
基于N 極性面濕法蝕刻技術(shù)，我們制作了垂直結(jié)構(gòu)金字塔Micro LED。由于濕法蝕刻使應(yīng)力得到釋放，同時(shí)減薄銅襯底，我們展示了基于銅襯底的垂直結(jié)構(gòu)柔性LED。前面Ibeam material 采用的是在金屬襯底上直接生長制作柔性LED，我們是基于傳統(tǒng)藍(lán)寶石襯底，在垂直結(jié)構(gòu)LED工藝路線的基礎(chǔ)上結(jié)合N 極性面濕法蝕刻技術(shù)，石墨烯透明電極互聯(lián)技術(shù)等。
柔性垂直結(jié)構(gòu)金字塔Micro LED是建立在我們對(duì)GaN材料N 極性面濕法蝕刻比較深入的研究基礎(chǔ)上。我們對(duì)蝕刻溫度，濃度等條件下GaN材料N 極性面蝕刻規(guī)律進(jìn)行了研究，并且展示了N 極性面濕法蝕刻藍(lán)寶石和GaN界面，從而分離藍(lán)寶石襯底和GaN?；贜 極性面濕法蝕刻技術(shù)，我們還制作了垂直結(jié)構(gòu)金字塔micro LED，柔性垂直結(jié)構(gòu)金字塔micro LED是在這個(gè)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步嘗試。
4.研究進(jìn)展-IV:發(fā)光快速調(diào)制LED
（1）更快藍(lán)光多納米結(jié)構(gòu) LED：針對(duì)大面積LED有源發(fā)光區(qū)壓電極化問題，通過設(shè)計(jì)多納米結(jié)構(gòu)，用膠體特爾伯特光刻方法制造納米柱、納米孔、納米環(huán)LED，釋放應(yīng)力，載流子復(fù)合壽命從最高17.1ns降至6.7ns， 光致發(fā)光強(qiáng)度增加1倍。
（2）全濕法蝕刻制造垂直結(jié)構(gòu)金字塔微腔 Micro-Emitter：用全濕法蝕刻新制造方法制造垂直結(jié)構(gòu)金字塔微腔 Micro-LED：具有良好光學(xué)限制、有利電注入實(shí)現(xiàn) 、散熱好優(yōu)點(diǎn)，金字塔微腔目前已實(shí)現(xiàn)光泵浦激射，Q≈6070，顯示在直調(diào)速率方面潛力。
（3）更快調(diào)制nanohole-LED和白光LED；量子點(diǎn)/Ag NMs 填入nanohole array中:LED量子阱中電子空穴對(duì)與量子點(diǎn)的非輻射能量轉(zhuǎn)移路徑來克服斯托克斯速度慢。Ag NMs 金屬表面等離激元調(diào)制：Purcell效應(yīng)，匹配LED與Ag NMs的吸收峰，提高載流子的復(fù)合速率。
（4）高帶寬和顯色指數(shù)單芯片無熒光粉白光LED；針對(duì)有源區(qū)壓電極化和熒光粉問題，提出自組裝InGaN量子點(diǎn)有源區(qū)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無熒光粉單芯片白光LED：1）比傳統(tǒng)量子阱有源區(qū)應(yīng)力減小，提高載流子的復(fù)合速度；2）利用In的不同遷移聚集得到大小形狀不一的InGaN量子點(diǎn)，代表著不同程度的In局域化，獲得寬譜白光。此器件低電流密度下高3dB調(diào)制帶寬：在電流密度為72A/cm2時(shí)達(dá)到最大3dB調(diào)制帶寬為154MHz，遠(yuǎn)高于現(xiàn)在一般白光LED（10MHz），光色電參數(shù)相對(duì)色溫為6253K，顯色指數(shù)=72。
（5）快速調(diào)制白光LED：針對(duì)傳統(tǒng)白光LED斯托克斯轉(zhuǎn)換和熒光延時(shí)問題，對(duì)熒光粉結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：1）寬譜綠色熒光粉（LuAG:Ce）結(jié)合窄譜紅色量子點(diǎn)（CdSe/ZnS）：實(shí)現(xiàn)具有高顯色指數(shù)、光譜可有效調(diào)控的全光譜白光；2）引入Ag、Au復(fù)合納米顆粒：使金屬表面等離激元共振峰與藍(lán)光芯片和綠色熒光粉的發(fā)射峰對(duì)應(yīng)，提高直調(diào)速率和光轉(zhuǎn)換速度。此項(xiàng)工作美國光學(xué)快報(bào)雜志Feature article,英國專業(yè)媒體雜志《Semiconductor today》在線報(bào)道。
5.研究進(jìn)展-V:光束整形LED
光束整形方面，我們提出了垂直共振腔Micro-LED。關(guān)鍵詞是垂直結(jié)構(gòu)，共振腔和Micro，使得器件具有不同于傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)LED, 傳統(tǒng)RC LED，以及常規(guī)Micro-LED,具有比較優(yōu)異的光電和熱性能：光束調(diào)控方向更直，光譜更窄，波導(dǎo)模式抑制使效率更高，垂直結(jié)構(gòu)銅襯底使散熱性能更好。
另外，我們?cè)诓▌?dòng)光學(xué)氮化物metasurface 光束調(diào)控上做了一些初級(jí)探索性工作，利用導(dǎo)模共振，通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，寬譜氮化物meta-reflector；基于小尺寸衍射相位理論，制作氮化物metalens，實(shí)現(xiàn)了紫外聚焦與成像。現(xiàn)在的波段在紫外波段，有待擴(kuò)展到非相干LED可見光。另外也正在研究基于micro LED的幾何光學(xué)shaping設(shè)計(jì)等工作。
總結(jié)：
1）半導(dǎo)體照明用LED成熟發(fā)展期，而新型顯示、可見光通信、柔性顯示和植入式光療器件等除了巨量轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵技術(shù)外，也對(duì)GaN基LED元器件本身性能提出了更多的要求。
2）Micro-LED不僅僅是傳統(tǒng)LED尺寸的縮小，在光束、光效、載流子復(fù)合壽命等方面性能上差別較大。
3）先進(jìn)GaN基LED元器件，不僅僅在于效率，直調(diào)速率、發(fā)光光束、發(fā)光光譜、顯色性以及柔性制造及可靠性，系統(tǒng)集成等方面研發(fā)提升應(yīng)用空間還很大。
4）中南大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體課題組將持續(xù)先進(jìn)LED器件研發(fā)，特別感謝中科院半導(dǎo)體所等合作單位的長期支持和幫助。也感謝聯(lián)盟的邀請(qǐng)，很高興有這個(gè)寶貴的機(jī)會(huì)和大家分享GaN基LED器件方面的內(nèi)容，也希望與大家一起交流討論。
【嘉賓簡介】
汪煉成，中南大學(xué)教授，微電子科學(xué)與工程系副主任；先后在中科院半導(dǎo)體研究所, 新加坡南洋理工大學(xué)，新加坡科技大學(xué)和英國謝菲爾德大學(xué)從事博士和博士后研究工作，2017年回國在中南大學(xué)建設(shè)了第三代半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室和團(tuán)隊(duì)，致力于第三代半導(dǎo)體器件和系統(tǒng)的研究。在GaN基 LED器件方面有十余年的研究經(jīng)驗(yàn)，主要成果有：性能國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流垂直結(jié)構(gòu)LED，石墨烯透明電極在LED中應(yīng)用，和適應(yīng)于高質(zhì)量半導(dǎo)體照明、顯示和可見光通信的先進(jìn)LED器件。工作數(shù)次被專業(yè)媒體如Compound Semiconductor、Semiconductor Today 報(bào)道，獲最佳年輕研究人員（英國物理協(xié)會(huì)，半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)雜志，2018）、湖湘高層次創(chuàng)新人才（湖南省科技廳，2018）、CASA第三代半導(dǎo)體卓越創(chuàng)新青年(國家第三代半導(dǎo)體聯(lián)盟，2019）等榮譽(yù)和獎(jiǎng)勵(lì)。
（文字根據(jù)直播內(nèi)容編輯整理，略有刪減）
問答環(huán)節(jié)
目前Micro LED技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還存在諸多挑戰(zhàn)，對(duì)于其潛在應(yīng)用或未來市場開發(fā)您怎么理解？
汪煉成：個(gè)人比較淺顯的理解是可能在一些比較小尺寸、單色顯示的應(yīng)用場合會(huì)首先實(shí)現(xiàn)突破。比如手表的顯示，據(jù)了解有企業(yè)在研發(fā)將Micro LED顯示技術(shù)用于手表，應(yīng)該會(huì)有產(chǎn)品出現(xiàn)。
產(chǎn)業(yè)化角度，三星、索尼等都開發(fā)了Micro LED概念性電視，但是成本還非常高，對(duì)于普通消費(fèi)者還難以接受，更多處于概念性展示階段。不過，隨著巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)的成熟和其他方面成本的降低，相信Micro LED顯示產(chǎn)品價(jià)格會(huì)逐漸降低，至少會(huì)進(jìn)入到高端顯示的行列市場。
生外延長中In組分不均勻也會(huì)造成發(fā)光均勻性的問題，這個(gè)問題目前有沒有得到比較好的控制？
汪煉成：對(duì)于GaN/InGaN 量子阱來說，In組分都應(yīng)該是分布不均勻的，因?yàn)镮n存在一個(gè)局域化效應(yīng)，但I(xiàn)n組分不均勻應(yīng)該不會(huì)造成發(fā)光的不均勻性，因?yàn)镮n組分不均勻?qū)儆谖⒂^層面，發(fā)光則偏宏觀層面。但I(xiàn)n組分不均勻可能會(huì)造成光譜的展寬，甚至?xí)斐砂l(fā)光多峰的現(xiàn)象。
