隨著智慧穿戴式裝置的蓬勃發展以及互聯網的廣布，我們看到了一個萬物聯網時代的來臨。在這個背景之下，任何聯網的裝置都需要一個智慧顯示器來加強與使用者的互動。要能夠符合這個大環境的條件之下，我們必須要有省電、高效能、反應速度快、全彩、體積小的一個顯示裝置。目前在產學研各界的關注之下，有許多的新穎技術，紛紛被開發出來投入這個智慧顯示裝置的模組原型展示。包括傳統的液晶顯示(liquid crystal)，或是有機發光二極體(Organic LEDs, OLEDs)，都已經在相關的廠商大力推動下有了初步的產品。而另外一個方向，則是利用微發光二極體(micro LEDs)來進行微顯示器的製作。由於對於顯示器尺寸以及畫素大小解析度的要求，我們必須發展一個高效率的發光元件來作為畫素，而這個畫素也必須具備全彩的功能。在過去的技術中往往可以利用現存的組裝技術，例如pick and place即可被用在目前所見的大面積戶外發光二極體顯示螢幕上。但是一旦元件尺寸縮小到五微米以下，許多現存的組裝技術便無法實行。同時元件的外部量子效率(external quantum efficiency)，因為上升的非輻射載子復合以及相對較多的邊牆 (sidewall) 面積，也會大幅下降[1, 2]，造成整體模組的功耗大幅上升。要解決這個問題，我們必須從整體模組的架構，做根本的改變。其中的一個方法便是導入顏色轉換層(color conversion layer)的概念。顏色轉換層係利用高能量光子激發較低能量的可見光光子（通常是紅色以及綠色），來達到全彩螢幕的效果。但是如何將顏色轉換層次組合到微發光二極體矩陣上仍然是一個學術界研究的話題。

Fig. 1 高效率顏色轉換層示意圖。其中紫色層為外加光學反射層。左上方為傳統DBR反射鏡之反射率(虛線)以及經過重新設計並運用於本實驗之光學反射鏡(實線)之對照示意圖[3]。

台灣大學林建中教授、吳忠幟教授及國立陽明交通大學郭浩中教授團隊於近日發表利用半導體製程結合特殊設計之光學反射層，來增強量子點顏色轉換層的發光強度。同時也利用非同調反射與穿透 (incoherent reflection and transmission) 的光學理論，初步推導出對應的光學增強效應的模型。透過特殊設計的光學反射層，可以在激發光源的波長具備高反射率，而在量子點發光的波段將穿透率提高，以強化整體全彩的光源平衡[4]。與一般的分散式布拉格反射鏡 (Distributed Bragg Reflector, DBR) 在高穿透率頻段會有震盪的情形不同，本團隊所展示的反射率頻譜非常平坦，對於設計量子點發光的顏色轉換層來說，是比較方便的 (如圖一)。本次展示的結構非常適合作為日後縮小個別畫素的大小的用途(如圖二)。因為團隊採用了標準的半導體製程，以及光罩對準方法，在精確度以及準確度上都可以大幅的提升。同時在畫素的結構中加入高密度的原子層沈積系統(Atomic layer deposition, ALD)的介質層，具備了保護量子點的功用，也可以解決顏色轉換層在生命週期 (lifetime) 或可靠度 (reliability) 方面的顧慮。最終團隊展現了五微米大小畫素的結果。在可靠度方面也驗證了長達9000小時上架(on-shelf) 儲存時間 (storage lifetime)，而量子點的發光強度並未有明顯的改變。另外在數值模型方面，該團隊也展示了與不同反射率的光學層整合之後，不同的量子點發光強度之間的關係，並獲得一致的成果。此一成果已經在IEEE Photonics Journal 期刊上發表，並希望能以此為出發點，進一步開發與量子點顏色轉換層相關之技術，以期符合未來高解析度微顯示器系統的實際需求。

Fig. 2. (a)於掃描式電子顯微鏡(SEM)之下的各個畫素。(b)填裝量子點之後的畫素置於紫外線螢光顯微鏡之下 [3]。

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G. -Y. Lee et al., "Photonic Characterization and Modeling of Highly Efficient Color Conversion Layers With External Reflectors," in IEEE Photonics Journal, vol. 15, no. 4, pp. 1-10, Aug. 2023, Art no. 2201110, doi: 10.1109/JPHOT.2023.3285667。本次研究成果已經發表在IEEE Photonics Journal，全文為開放取用(open access)，網址為：https://ieeexplore.ieee.org/document/10149805

[1] Y. Y. Li et al., "Analysis of Size-Dependent Quantum Efficiency in AlGaInP Micro–Light-Emitting Diodes With Consideration for Current Leakage," IEEE Photonics Journal, vol. 14, no. 1, pp. 1-7, Art no. 7007907, 2022, doi: 10.1109/JPHOT.2021.3138946.
[2] T.-Y. Lee et al., "Increase in the efficiency of III-nitride micro LEDs by atomic layer deposition," Optics Express, vol. 30, no. 11, pp. 18552-18561, 2022/05/23 2022, doi: 10.1364/OE.455726.
[3] G. Y. Lee et al., "Photonic Characterization and Modeling of Highly Efficient Color Conversion Layers With External Reflectors," IEEE Photonics Journal, vol. 15, no. 4, pp. 1-10, 2023, doi: 10.1109/JPHOT.2023.3285667.
[4] K.-C. Lin et al., "Modified distributed Bragg reflector for protecting organic light-emitting diode displays against ultraviolet light," Optics Express, vol. 29, no. 5, pp. 7654-7665, 2021/03/01 2021, doi: 10.1364/OE.418105.

 

TrendForce 2023 Micro LED 市場趨勢與技術成本分析
出刊日期: 2023 年 05 月 31 日 / 11 月 30 日
語言: 中文 / 英文
格式: PDF
頁數: 160 頁 / 年

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