隨著元宇宙概念的提出，以及人們對5G、人工智慧、AR/VR和圖像辨識等新興技術的需求不斷增長，能同時實現顯示器、訊號傳輸、光通訊的智能顯示器(smart display)成為研究人員追求目標及熱門話題。Micro-LED具備高解析度、低功耗、高亮度和快速響應時間等特點，被視為未來智能顯示系統最具潛力的技術。通過將紅光、綠光、藍光Micro-LED整合在一起，以實現兼具可見光通訊(visible light communication, VLC)的全彩顯示系統是全方面的解決方法。過去已有許多研究團隊針對氮化銦鎵基(InGaN-based)藍光與綠光LED進行研究，並在減小尺寸的同時，仍然保持優異外部量子效率(external quantum efficiency, EQE)的特性。

近年來，可見光通訊(visible light communication, VLC)這種新興無線通訊技術，具有相較於無線射頻(radio frequency, RF)更高的頻寬及安全性。VLC能不受電磁干擾，適用於各種通訊環境，使其成為極具潛力的未來高速通訊技術。相較於傳統LED較窄的調製頻寬，Micro-LED因為其小尺寸導致較低的接面電容，將有利於增加頻寬。因此，在同一顯示器上集成InGaN-based的RGB Micro-LED對於下世代全彩可見光通訊具有巨大的潛力。

過往的磷化鋁鎵銦基(AlGaIn-based)紅光LED因為具有較高的發光效率而較為常見，但其熱穩定性較差，在縮小尺寸至Micro-LED時，發光效率將大幅衰減。而InGaN-based紅光Micro-LED具有與綠光、藍光使用相同材料的優勢，能夠降低製程成本，在發光效率對於尺寸縮小和溫度提升的影響也較小，因此InGaN紅光Micro-LED成了未來顯示器上的關注焦點。然而高銦含量的InGaN紅光Micro-LED在量子井中存在著強烈的壓電場(piezoelectric fields)，導致嚴重的量子侷限史塔克效應(quantum-confined Stark effect, QCSE)，使InGaN紅光Micro-LED在EQE方面仍然面臨重大挑戰，是故如何提升其發光效率成了重要議題。

圖一 所開發的高效率InGaN紅光Micro-LED元件

去年，國立陽明交通大學(NYCU)郭浩中講座教授與鴻海研究院(HHRI)研究團隊攜手沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)跨國合作，導入非對稱分散式布拉格反射鏡(modified distributed Bragg reflectors, DBR)、超晶格(superlattice, SL)結構設計，以及原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)三項關鍵技術，成功製作出具有5.02%高EQE的紅光InGaN Micro-LED，並實現271 MHz的調製頻寬與350 Mbit/s的傳輸位元速率，其研究成果已發表在國際頂尖光電期刊Photonics Research。

圖二 (a) SQW結構InGaN紅光Micro-LED光譜 (b) EQE-電流密度關係圖

基於該研究成果，今年國立陽明交通大學(NYCU)郭浩中講座教授與與鴻海研究院(HHRI)洪瑜亨博士團隊持續攜手沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)共同合作，深入探討主動層量子井層數減少時，對於Micro-LED性能的表現。透過結構、光學與電學性能的分析，發現了與具有雙層量子井(double quantum wells, DQWs)結構的InGaN紅光磊晶片相比，單層量子井(single quantum well, SQW)結構的樣品具有更好的磊晶品質、高純度發光、更窄的半高寬以及更高的內部量子效率。在電致發光性能上，採用SQW結構InGaN紅光Micro-LED的最大EQE更高達5.95%，而且隨著電流密度增加，發光波長位移的現象也有所減少。

此外，在注入高電流密度下(2 kA/cm2)，SQW紅光Micro-LED能實現424 MHz的調製頻寬，且測得800 Mbit/s的傳輸速率。這些結果表明了，InGaN-based的SQW紅光Micro-LED在實現全彩微型顯示和可見光通訊應用方面極具潛力。此研究成果《Investigations on the high performance of InGaN red micro‑LEDs with single quantum well for visible light communication applications》也在國際頂級期刊Discover Nano發表。

圖三 (a) 調製頻寬-電流密度關係圖 (b) SQW結構紅光Micro-LED在700 Mbit/s與800 Mbit傳輸速率下所對應的眼圖

除了上述豐碩的科研成果外，針對應用新穎奈米製程技術於未來顯示科技的相關專利申請，我們亦獲得相當的成果，已取得《顯示裝置Display device》，公告號TWM638491U、《發光裝置及其製造方法Light emitting device and manufacturing method thereof》，公告號TWI805457B，以及《半導體元件Semiconductor device》，公告號TWM638823U等專利。其他不同地區與其對應的多件專利亦持續申請中。希冀未來於前瞻智能顯示技術的發展，吾人能結合全彩InGaN-based Micro-LED以與這些新穎奈米製程技術，一同構建下一世代的終極顯示科技。

 

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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