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      近日，国家新型显示技术创新中心Micro-LED显示创新平台牵头单位福州大学郭太良团队严群和孙捷课题组以“Systematic study on size and temporal dependence of micro-LED arrays for display applications”（用于显示应用的Micro-LED阵列的尺寸和时间效应的系统性研究）为题的研究论文在《Photonics Research》期刊上发表(2023年，11卷，549页)。

      Micro-LED是新型显示最有前途的技术方案之一，但它有一个领域内公认的瓶颈，这就是在像素尺寸进一步缩小时由侧壁缺陷引起的效率降低。不管是红光还是蓝绿光Micro-LED，其制程中通常都使用干法刻蚀来制备发光台面。但是，所使用的高能粒子对半导体材料刻蚀时，会在Micro-LED侧壁造成多种物理和化学过程引起的损伤，它们将导致大量非辐射复合中心。这严重影响发光效率，已成为业内非常棘手的问题。

      针对这一难题，在论文中，该团队系统地研究了Micro-LED光电性能对尺寸和时间的依赖性。所研究的Micro-LED阵列的发光台面尺寸边长范围为7-100 μm。通过实验，对芯片的亮度和外量子效率（EQE）进行了系统性的测量和讨论。令人惊讶的是，虽然在传统静态驱动情况下，台面尺寸更小的Micro-LED的确因侧壁损伤表现出明显的亮度和效率下降，但在交流短脉冲驱动情况下（亦即测量通电后极短时间内的动态响应），小尺寸Micro-LED反而表现出更优越的光电性能，这一点从某种程度上颠覆了以往的认知。

      具体地说，与较长的脉冲或直流静态操作相比，7×7 μm²的Micro-LED阵列在100 ns量级电脉冲激励下的EQE提高了20%，这使得它的性能甚至优于同样工艺制备的相对较大尺寸的Micro-LED。如下图所示，通过光电倍增管和示波器，可以测量不同尺寸Micro-LED的瞬态响应。在最初的瞬间，小尺寸Micro-LED的发光强度有明显过冲现象，超过了相对较大尺寸的Micro-LED；而达到稳态时，前者的性能则又劣于后者。造成这一现象的原因是，在刚通电的瞬间，虽然小尺寸Micro-LED的侧壁缺陷相对较多，但由于载流子主要在台面中心部位输运，还没有来得及被侧壁的非辐射复合中心捕获，所以缺陷的负面作用来不及体现。而此时由于小尺寸形成的积极效果反而被突出出来，比如电流扩展效果好、载流子不容易拥挤、响应速度快等，因此其性能不降反升。

      因此，该团队得出初步结论，在Micro-LED阵列中，由侧壁缺陷引起的效率降低很可能会通过使用短脉冲电信号驱动而减小，甚至小尺寸Micro-LED在这种驱动模式下的性能会反超大尺寸Micro-LED。这对于新型显示研究是个极好的信号，因为这说明领域内追求Micro-LED像素尺寸不断缩小的方向是正确的。之前，鲜有研究将关注点聚焦在Micro-LED的瞬态响应特性上。然而在实际显示应用中，像素的确经常工作在脉冲激励模式下，采用数字调光的方式显示图像画面。因此，研究短脉冲激励下超小尺寸Micro-LED的性能表现对于提高未来显示效果，甚至是实现未来空间三维显示具有重大的现实意义。

      该论文第一作者是博士生聂君扬，通信作者是闽都创新实验室和福州大学的严群和孙捷，合作单位是福建兆元光电有限公司。

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