技术 | 量子点发光微球实现超高效Micro LEDs新突破

微米级发光二极管（Micro LED）作为下一代显示技术正在不断发展，然而，传统无机III-V半导体LED小型化到微尺度（≤50µm）的过程中，面临着绿色和红色LED辐射效率急剧下降、传质困难、红绿蓝（RGB）像素驱动电压失配等技术和性能方面的挑战，严重影响了其商业化进程。为了解决这些问题，采用纳米级尺寸、高效率、窄带发射、高色纯度的红、绿量子点（QDs）作为颜色转换材料，与蓝色微型LED结合，实现了全彩微型LED显示。该方法有望简化传质，易于驱动电路，成本低。

然而，由于量子点在蓝色区域的消光系数低，量子点的光提取效率（LEE）较差，导致量子点转换的微型LED蓝光泄漏严重，发光效率低，因此量子点颜色转换层（CCL）的性能仍然较低。最近，通过将量子点嵌入到纳米多孔GaN中，并在器件中添加滤色器（CF）或分布式布拉格反射器（DBR）来吸收或反射量子点无法吸收的残留蓝光，可以有效地抑制蓝光泄漏。然而，这些方法不可避免地会增加功耗，降低视角，并增加微型LED显示屏的表面温度。此外，对于传统的QD显示器，QD CCL被夹在两个厚度高达260微米的水氧阻隔层之间，以提高显示器的可靠性这种策略不适合微型LED，因为长宽比会显著增加，这使得小像素（<50µm）的图案难以形成。虽然可以通过涂覆二氧化硅壳、氧化铝壳或硅氧烷配体来制备更薄、更稳定的量子点像素，而无需使用水-氧屏障层，从而提高量子点的PL稳定性，但由于硅烷水解、表面配体修饰或原子层沉积（ALD）对量子点表面的破坏和较低的蓝色吸收率，从而大大降低了量子点的颜色转换性能，增加了非辐射复合。

因此，构建同时具有优异色彩转换效率和优异PL稳定性的量子点材料是实现高可靠性全彩微型LED的关键。

树突状介孔硅球（dms）具有直径可调、介孔丰富、高折射率、优异的光学透过率和较强的化学稳定性等特点。因此，将量子点封装在dms的介孔中，可以提高量子点的颜色转换性能和可靠性。介孔的空间限制作用降低了量子点的重吸收，使量子点与水和氧分离。此外，在介孔和填料之间形成的光学微腔改善了激发光和发射光的局部光场。然而，有几个关键问题需要解决，如i)如何在密封过程中抑制有机配体脱落并减少对量子点表面的损伤；ii)封装结构如何影响颜色转换性能。

厦门大学解荣军、黄凯、宣曈曈等人展示了绿色和红色量子点发光微球，同时具有高颜色转换效率和优异的PL稳定性，从而实现超高效和明亮的RGB微型LED。采用湿法合成了平均直径为220 nm的镉基QD@dMS@聚马来酸酐十八烯(PMAO)@SiO2 （QD@dMS@PMAO@SiO2）发光微球，其中PMAO作为量子点与SiO2壳层之间的桥梁。PMAO不仅可以抑制配体脱落，还可以抑制3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）的水解，从而破坏量子点的表面。结果表明，该微球具有较高的外光致发光量子效率（EQY）和对蓝光、热和水氧的优异PL稳定性。将时域有限差分（FDTD）与实验结果相结合，揭示了颜色转换性能的改善机理。最后，绿色和红色微型LED的最大外部量子效率（EQEs）分别达到40.8%和22.0%。它们进一步与薄膜晶体管（TFT）背板集成，实现高像素分辨率和高亮度的微型LED显示屏。