圖二、ALD鈍化層保護技術結合Micro LED奈米結構，提升元件發光效率。

 

陽明交大研究團隊也證明ALD薄膜鈍化技術沉積Al2O3增強Micro LED的EQE (外部量子效率，意指LED元件中每秒放射至自由空間的光子數與每秒注入LED的電子數之比值，用以判別LED本身能量轉換之優劣)。2019年國立陽明交通大學光電工程學系郭浩中、林建中教授研究團隊聯手國內聯嘉光電，合作開發三合一RGB Mini LED技術，更導入ALD技術用以避免量子點受到外部環境的影響，在50 ℃/ 50 % RH條件下進行300小時可靠性測試後，NTSC與Rec.2020的面積占比幾乎維持不變，證實低溫ALD技術為量子點材料提供廣泛的色域面積和穩定性，也對三合一Mini LED顯示器帶來良好的全彩性能。此外由於電漿輔助乾蝕刻導致平台層的表面和非輻射複合機率提升，小尺寸LED 的峰值EQE相當低，然而ALD側壁鈍化是減少LED中電漿缺陷的重要方法。隨著Micro LED尺寸從100×100 µm2、50×50 µm2縮小到5x5 µm2，觀察到注入到Micro LED的電流集中在檯面邊緣。對於小於10×10 µm2的元件，儘管較小元件的發光比大元件的發光更暗，但由於有效電流分佈在較小的平台區域，發光面積是均勻的。由圖三(a)所示，隨著Micro LED尺寸縮小（100µm à 5µm），有無進行ALD鈍化保護層沉積對小元件的影響越大，5 x 5 µm2的Micro LED元件相對於20 x 20 µm2和100 x 100 µm2的元件，其EQE提升的幅度最多，可以得知在未來Micro LED尺寸越做越小的情況下，ALD鈍化保護是更具有優勢的技術。

 

下方圖三(b)可以看出在不同尺寸的藍光Mini LED中，有經過Picosun ALD鈍化保護技術的小尺寸元件在有著較低的特徵溫度，說明Picosun ALD能夠有效抑制在側壁產生的Shockley-Read-Hall (SRH)複合，且隨著尺寸變大，ALD對側壁SRH複合的抑制效果變差，跟圖三(a)的尺寸越大其EQE改善現象越不明顯相呼應。所以在未來各式顯示器及VR/AR追求畫質色彩鮮豔度下，Mini/Micro LED的需求將會穩定大幅提升，ALD鈍化沉積技術將逐漸成為其中無可取代的一環。

 

圖三、(a)不同尺寸在有無ALD鈍化層沉積技術下EQE的變化；(b)不同尺寸Blue Mini LED有無ALD鈍化層下的特徵溫度。

 

2021年陽明交大郭浩中、林建中教授研究團隊與美國耶魯大學韓仲教授研究團隊合作提出奈米孔洞奈米結構Micro LED結合高精度超微距量子點噴塗技術(Super Inkjet Printing, SIJ)達到全彩效果，解決量子點材料本身因自聚集而產生不均勻地受光的問題，大幅提升色彩轉換效率。此外由於奈米孔洞中的量子點材料與環境的接觸面積大幅上升，導致量子點本身衰減的速率增加因此透過ALD成膜技術來達到阻水氧的效果。除此之外，從元件上進行分析比較平坦式結構與奈米孔洞結構的光均勻度差異，可以發現紅色量子點平坦式結構與奈米孔洞結構的均勻度分別為41.7%與90.7%，提升117%；而綠色量子點則是從46.7%上升至91.2%，提升幅度約為95%，如圖四所示。顯示奈米孔洞結構對於光均勻性有著顯著的提升，有利於白光背光源走向輕薄化、低成本的趨勢。

 

圖四、比較奈米孔洞與平坦式結構之光均勻度、色轉換效率比較表。

 

ALD鈍化沉積技術也用於科技部重點項目「奈米科技創新應用計畫」，在執行項目奈米結構Micro LED與螢光共振能量轉移之研究上，導入ALD鈍化沉積技術來提升Micro LED之外部量子效率，同時也會在將所合成的高轉換效率鈣鈦礦量子點噴塗在HCG奈米結構Micro LED元件上達到全彩像素的效果。Micro LED除了在顯示的應用之外，高傳輸速率也是其一大優勢，作為可見光通訊之光源具有高速、低能耗、無電磁干擾及資訊安全等優勢。陽明交大郭浩中、林建中教授研究團隊在第一年的成果利用16-QAM and 8-QAM的OFDM調變方式讓直徑為50µm的2×2顆 µLED陣列成功達到3.129 Gbit/s的高傳輸速率。在第二年的研究上將設計30µm之Micro LED陣列到特殊的TO-can/SMA模組連接器上，來提升類比調變響應(analog modulation response)，能將傳輸速率提升到超過5 Gbit/s。

 

相關研究發表請見: 

1.        Liu, Zhaojun, et al. "Micro-light-emitting diodes with quantum dots in display technology." Light: Science & Applications 9.1 (2020): 1-23.

2.        Zhou, Xiaojie, et al. "Growth, transfer printing and colour conversion techniques towards full-colour micro-LED display." Progress in Quantum Electronics 71 (2020): 100263.

3.        Huang, Yu-Ming, et al. "High-Uniform and High-Efficient Color Conversion Nanoporous GaN-Based Micro-LED Display with Embedded Quantum Dots." Nanomaterials 11.10 (2021): 2696.