2023

08·15

行家说快讯：

8月12日，赛富乐斯发布其《NPQD® R系列显示用Micro LED芯片白皮书》，其中详细讲解了该Micro LED芯片的优势与应用方向。

Micro LED是能实现超大屏显示及特殊形状模组显示的技术。目前的Micro LED显示方案一般是使用红光、绿光、蓝光晶圆的晶粒进行制备，同时也有一种独特的量子点融合工艺，可实现Micro LED显示屏的无缝集成。

赛富乐斯该白皮书即是阐述融合了量子点的Micro LED制备技术，通过在氮化镓基蓝光LED内制备纳米孔结构并载入红光、绿光量子点，经由蓝光泵浦后，可实现全彩Micro LED显示，解决三色LED带来的成本、技术等难题。以下为该技术基本信息整理：

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挑战

Micro LED显示技术能解决OLED和LED-LCD的缺陷问题，实现颠覆性的显示方案。为了实现所有显示应用都由Micro LED驱动的终极场景，一些关键问题需要解决，包括：红光效率、巨量转移，以及特定场合背景下的亮度表现。

■ 红光效率问题

AlInGaP由于其低成本、高亮度和可靠性的优势，在照明和显示应用中得到广泛应用。然而，当接近微米级尺寸时，AlInGaP基Micro LED的效率降低了一个数量级，导致红光效率成为了Micro LED应用普及的一大阻碍。微米级LED尺寸越小，由于侧壁缺陷处的非辐射复合导致的载流子损失越大，效率也越低。低红光效率最终影响了显示屏整体亮度和能耗。

■ 特定色域/使用条件下的亮度问题

生动的色彩和高亮度是HDR显示的关键要求。人眼具有非常广的动态范围，能覆盖绝对高亮（10000尼特）到极端黑暗场景（0.005尼特）。

Rec-2020是现有显示色域参数中最广的。目前最好的消费显示屏只能覆盖色域的60%-80%。而Micro LED却能够开发出HDR的全部潜力，实现10,000尼特的峰值亮度和100% Rec-2020色域覆盖。

然而，由于当前的AlInGaP红光Micro LED效率低，制备的屏幕存在高耗能和低可靠性的问题，很难在使用场景下实现1,000尼特的亮度。

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创新

■ NPQD®技术原理

NPQD®代表“纳米孔-量子点”。通过电化学刻蚀，我们在氮化镓LED内部制备出纳米孔结构，注入红光和绿光量子点并通过蓝光激发，最终在单芯片上实现单独可控的R-G-B像素集成。

Figure 1. NPQD®技术原理

■ 技术特点（与其他量子点技术相比）

🝔 散射效应：数微米厚量子点层即可实现高光效

强烈的蓝光散射效应增加有效光程，只需几微米厚度的量子点层就可实现高达99%色彩纯度和优越的光转换效率。

🝔 蓝光光场重组：增强量子点的可靠性

通过将光场分散到各个纳米孔间，发光总面积增加了40倍，使得单个量子点受到的光辐照下降8倍，大幅加强了量子点的光稳定性。

🝔 多孔氮化镓：提升热稳定性

相比基于光刻工艺的量子点色彩转换（光阻材料的热导值K约为0.2W/m-K），纳米孔氮化镓的K值能达到100W/m-K，散热机制更佳，极大地提升了量子点热稳定性。

🝔 色彩转换：降低生产成本

通过结合纳米孔氮化镓和量子点，将低成本的蓝光LED转换为高价的红光或RGB Micro LED，降低芯片生产成本及库存成本。

🝔 波长一致性：波长分布高度一致

量子点波长可精准调控，晶圆内及晶圆间波长分布一致性可达到±0.5nm。

■ R系列芯片

🝔 芯片结构：

Figure 2. R系列芯片内部结构示意图

🝔 芯片尺寸：

Figure 3. R系列芯片尺寸表

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优势

■ 性能优势

AlInGaP目前被广泛应用在红光Micro LED制备中。但是，一些关键问题亟待解决。

AlInGaP基Micro LED芯片的整体量子效率（EQE）和外部量子效率（WPE）较低，导致系统能耗高。当芯片尺寸降低时，由于固有缺陷，EQE下降更为剧烈。在低电流和相对较高占空比下，AlInGaP的光输出功率受到限制。此外，在使用温度达到100°C时，AlInGaP的热衰减高达35%。

而NPQD®技术能解决上述AlInGaP基红光LED芯片的问题。

🝔 R系列产品采用氮化镓材料体系，与蓝绿光芯片具有相同的驱动电压，RGB峰值效率一致。

Figure 4.EQE vs. Current

Figure 5.WPE vs. Current

🝔 小尺寸下更高效率

Figure 6.EQE vs. Chip size

🝔 因氮化镓材料体系蓝光在极小电流密度下即可达到峰值效率，小电流下效率远高于AlInGaP体系红光芯片。

🝔 @ 0.1mA(0.5A/cm2), NPQD® R系列 LED 比 AlInGaP LED 的 LOP 最大可高出10倍。

Figure 7.Light output power vs. Current

🝔 半峰宽漂移：在不同的使用情况下，较小的半峰宽漂移和热降解可以提供更好的颜色准确性。

Figure 8.Full width at half maxima increasement vs. Current

🝔由升温导致的效率下降更少

Figure 9.Percentage vs. Temperature

🝔 更好的WLD均匀性(WLD探测重复性±0.5nm)：NPQD®技术大幅改善R系列芯片的波长一致性，在显示端可提供更优的色准度。

Figure 10.The WLD tests result of accumulated 300,000 times

■ 生产优势

与AlInGaP红光LED相比，氮化镓基R系列芯片制造成本更低，良率更高。另外，NPQD®晶圆级集成技术与现有LED制造工艺和生产线兼容。

🝔 色彩均匀性：采用NPQD®技术的R系列芯片可以将色彩偏移控制在2纳米以内，满足大多数客户需求。此外，它的良率更高，生产成本更低。

🝔 芯片强度：在传统AlInGaP红光LED生产工艺中，材料固有的脆性加大了生产中芯片破裂的风险，影响了整体芯片良率。而采用NPQD®氮化镓材料体系制备红光芯片，不仅增强了芯片耐用性，还大幅降低了芯片破裂风险。因此，生产效率和产品质量显着提升，产出更稳定。

🝔 环评因素：在AlInGaP红光LED芯片的生产过程中使用了高毒性的砷化镓材料。对有毒物质的处理为制造单位带来了环保方面的挑战，同时还增加了生产工艺复杂性。这些因素都间接地限制了生产良率的提升及成本的进一步下降。

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■ 应用优势/定制化

赛富乐斯现有的产品目前包括了0305、0406、0307和0408四种尺寸，标准红色波长为623nm~628nm，可以根据需求定制尺寸和波长范围从530nm到1000nm的R系列芯片，从而满足多种应用需求。与AlInGaP芯片相比，R系列芯片提供了更广的可视视角和更优的红光质量，并能够使显示系统的色域达到Rec-2020标准。

🝔 R系列Micro LED的上板常亮可靠性(2000小时的标准化亮度为94%)

Figure 11.Normalized brightness of 94% over 2000hrs

🝔 红光存储可靠性(Saphlux实测结果: 高温、高湿以及60°C/RH90%测试500h红光亮度稳定)

Figure 12.Actual test results by Saphlux: the red brightness is stable after 500-hour testing under 3 different environments of high temperature, high humidity and 60 ℃/RH 90%

🝔 更宽的可视角度：R系列红光Micro LEDs产品的光束角度与传统蓝光和绿光LED一致，解决了AlInGaP LED和NPQD® R系列Micro LEDs之间发光角度差异的问题，能有效提升不同视角下的色彩均匀性。

Figure 12.Left: Light distribution curve of NPQD® R1 Micro LED. Right: Light distribution curve of AlInGaP LED

🝔 可定制化波长/芯片尺寸

Figure 13.Range of wavelength can be achieved by using NPQD®

🝔 更好的色彩表现：实验表明，在经过标准封装后，R系列芯片表现出优异的色域性能。

Figure 14. Color gamut comparison between R1-0408 and convention al AlInGaP-0408

■ 当前应用

■ 未来应用

赛富乐斯目前专注于以R系列产品为客户提供直显大屏显示方案。日前已经成功使用R1-0406芯片制备出一款独创性的162英寸4K直显大屏。我们将继续开发新尺寸的芯片，满足不同大屏显示的需要。

赛富乐斯表示，展望未来，R系列Micro LED芯片将在更多领域实现应用，包括车载显示、可穿戴设备等对屏幕质量和可靠性要求极高的应用。并且已经充分准备好，发挥NPQD®技术优势，满足新型产业需求，交付最优LED光引擎方案。

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04

总结

NPQD® Micro LED技术为下一代各种高分辨率显示应用提供了可量产、更经济的解决方案。它拥有行业领先的红光性能，并且在产品重量、外观、用户舒适度、电池寿命等终端用户关注的方面都满足需求。该产品将成为一款颠覆性的，现有AlInGaP芯片的替代品。对显示屏厂商来说，其更简化的工艺、更低的库存压力和资本投资需求都极具吸引力。

赛富乐斯表示将利用独特的NPQD®技术，不断探索新的型号、色彩、和尺寸的R系列Micro LED芯片，实现更多的显示应用。

引用文献：

[1] Huang,Y.-M.;Chen,J.-H.; Liou, Y.-H.; James Singh, K.; Tsai, W.-C.; Han, J.; Lin, C.-J.; Kao, T.-S.; Lin, C.-C.; Chen, S.-C.; et al. High-Uniform and High-Efficient Color Conversion Nanoporous GaN-Based Micro-LED Display with Embedded Quantum Dots. Nanomaterials2021,11,2696. https:// doi.org/10.3390/nano11102696.

[2] Hyungsuk Moon, Changmin Lee, Woosuk Lee, Jungwoo Kim, and Heeyeop Chae. Stability of Quantum Dots, Quantum Dot Films, and Quantum Dot Light-Emitting Diodes for Display Applications. Adv. Mater. 2019, 1804294. DOI: 10.1002/adma.201804294.

[3] YINTR21162 MicroLED Displays-Market, Industry and Technology Trends 2021.

[4] Yuge Huang, En-Lin Hsiang, Ming-Yang Deng and Shin-Tson Wu. Mini-LED, Micro-LED and OLED displays: present status and future perspectives. Light: Science & Applications (2020) 9:105. https://doi.org/ 10.1038/s41377-020-0341-9.

[5] Han, L. L., Deng, Z., Ma, Z. G., Wang, W. X., Chen, H., Du, C. H., & Jia, H. Q. (2021). Optimization of P-gap reflective electrode for vertical led. Results in Physics, 30, 104812. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104812

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