最小僅90納米！這一領域我國再獲突破
guancha
“降尺度(Downscaling)”在電子科學中特指縮小基本器件尺寸的過程，引領着計算機科學、信息顯示和人機交互等領域的技術革命。對於實現更加微小的器件，科學家們一直保持着不懈的追求。
據浙江大學新聞網20日消息，近日，浙江大學光電科學與工程學院/海寧國際聯合學院狄大衞教授和趙保丹研究員團隊研發的微米和納米鈣鈦礦LED（micro-PeLED和nano-PeLED）達到了傳統LED難以觸及的——90nm尺寸新極限，同時降尺度過程僅造成微弱的性能損耗。
相關研究成果以“Downscaling micro- and nano-perovskite LEDs”為題，於北京時間3月20日發表在《自然》上。論文第一作者為浙江大學光電科學與工程學院博士生連亞霄、王亞馨、袁瑜才、任智翔，論文通訊作者為狄大衞和趙保丹，浙江大學是唯一通訊單位。
“微縮”的藝術
根據信息技術的發展規律，集成電路上可容納的晶體管數量大約每兩年會翻一番，性能也會相應提升，帶來電子設備越來越快的運行速度和不斷降低的製造成本。
從誕生初期需要若干房間安置的計算機到如今集聚眾多應用功能的小巧手機，從第一顆紅光LED到如今色域寬廣、色彩豐富的各式屏幕以及AR、VR眼鏡……器件的“微型化”已經成為科學家們不斷追求的目標。
在電子科學領域，不斷縮小基本器件尺寸的過程就是——降尺度。
“目前世界最先進的顯示技術是基於III-V族半導體的micro-LED，被認為是顯示器的‘終極技術’。”狄大衞介紹，micro-LED就是一種“降尺度”的LED，通過縮小LED的尺寸，可實現超高清、超高精度的光電顯示。
課題組開展科研實驗
受限於複雜的工藝技術，micro-LED的製造成本極高。更為重要的是，當像素尺寸減小到約10微米或更小時，micro-LED的效率會急劇下降。而這正是超高分辨率的高端AR/VR應用所需要的像素尺寸，昂貴的價格與較低的發光效率限制了其大規模商業應用的可能。
鈣鈦礦LED是一種可應用於顯示、照明和通訊等領域的新型光源，在色彩純度、色域寬度上有極大的優勢。幾年前，從三五族半導體micro-LED的微型化研究中得到啓發，狄大衞團隊開始研製用於未來顯示技術的更小的鈣鈦礦LED。
初步嘗試後，團隊於2021年首次提出了“微型鈣鈦礦LED（micro-PeLED）”的概念，後續獲得了國家與國際專利。
“雕刻”更小的鈣鈦礦LED
“對鈣鈦礦LED進行微型化並不能沿用micro-LED技術。而且，傳統的光刻工藝會破壞鈣鈦礦材料。”狄大衞説，製造微型鈣鈦礦LED最簡單的方法是對頂部和底部的電極接觸進行圖案化，用電極重疊的區域定義發光像素區域，但是這種方法會使像素邊界處的鈣鈦礦材料暴露在電極邊緣，容易產生非輻射能量損耗，進而使LED效率降低。
“我們設計了一套局域接觸工藝，其能夠在附加絕緣層中引入由光刻製作的圖案化窗口，以確保像素區域遠離電極邊緣。”連亞霄介紹。
這一工藝有效保證了LED的發光效率，使團隊能夠製造像素尺寸從數百微米到90納米的鈣鈦礦LED。趙保丹説：“對於綠色和近紅外鈣鈦礦LED而言，當像素尺寸在數百微米到3.5微米範圍時，外量子效率均保持在20%左右。”
Micro/nano-PeLED與其他LED技術的比較。
研究團隊開發的micro和nano-PeLED相較於基於III-V族半導體的micro-LED具有優勢，大約在180納米的極小尺寸才開始顯現降尺寸效應，此時的效率降低至最高值的50%。而傳統micro-LED在尺寸低於10微米時效率就已經顯著下降。
狄大衞説：“論文中所展示的nano-PeLED最小可達到90納米，是迄今為止報道的最小LED像素。”基於此，團隊創建的具有127000 PPI超高分辨率的LED像素陣列也摘得所有類型LED陣列最高分辨率的紀錄。
向“極致”突破
在學生培養方面，團隊也有自己的哲學——以解決真正的困難問題為導向形成個人的內驅力。狄大衞表示：“探索極限、做領域中最難而正確的事就是我們所有人的目標，它凝聚起整個團隊的力量。”
談到論文的技術性，“審稿人感嘆於論文背後巨大的工作量”，趙保丹説，“這篇論文集合了所有主要作者所掌握的關鍵技術，每個人都貢獻了自己的智慧和努力。”
探索LED降尺寸性能的極限本源於團隊的好奇心，但要讓其進一步激發生產力，還需要從實驗室的發現發明走向實際應用。
有源矩陣micro-PeLED微顯示器呈現的圖像
實用的顯示器件，需要由可編程電路驅動LED陣列來傳達有用的信息，這需要產業界的合作。為此，團隊與杭州領摯科技攜手製作了由TFT背板驅動的有源矩陣micro-PeLED微顯示器原型，能夠呈現複雜的圖像和視頻，目前正在積極推動技術應用。
“我們很高興看到micro和nano-PeLED作為下一代光源技術在AR/VR顯示以及其他領域的重大潛力。”狄大衞説。