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| 纳米线发光二极管能否成为AR/VR光学引擎的最佳解法？ |
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高分辨率、宽视场角(FoV)、轻巧紧凑的外形以及低功耗是增强现实(AR) 和虚拟现实(VR) 显示器的必需要求。与液晶显示器(LCD) 和有机发光二极管(OLED) 显示器相比，微型发光二极管(microLED)因其高峰值亮度、出色的暗态、高分辨率密度、小尺寸和长寿命而受到许多关注。另一方面，随着尺寸的缩小，microLED 的效率会因侧壁缺陷而降低。因此，高分辨率密度和外部量子效率(external quantum efficiency, EQE)的权衡是将 microLED 用作 AR/VR 光引擎的主要挑战。
纳米线发光二极管(nanowire LED) 拥有同时实现高分辨率密度和高 EQE 的巨大潜力。由于每个像素都是由亚微米纳米线阵列形成的，因此纳米线 LED 的效率与像素尺寸无关。2018 年，Aledia 报道了一种纳米线 LED，当像素间距尺寸从 1000 μm 减小到 5 μm 时，其EQE与该间距尺寸无关。在不同的纳米线结构中，InGaN/GaN dot-in-wire LED 因其直径相关的发射波长和出色的电学性能而极具吸引力。值得注意的是，InGaN/GaN dot-in-wire LED 的发射波长取决于其直径，这大大降低了制备的难度。然而，RGB三原色的远场角分布在此类nanowire LED中不匹配，这会导致明显的角度色移。此外，由于在AR/VR 成像系统中，镜片对于光学引擎的接受锥通常在±20°的范围内。因此，有高定向性的光学引擎可以极大地提高光线利用率并减少功耗。所以这种nanowire LED的几何形状需要被优化，以同时实现三原色的角度分布匹配、提升光提取效率(light extraction efficiency, LEE)以及收窄角分布。
美国中佛罗里达大学的Shin-Tson Wu教授的研究小组使用商用波动光学仿真软件Finite-Difference Time-Domain (FDTD, Ansys inc.)通过3D偶极子云(dipole cloud)优化InGaN/GaN nanowire LED几何结构。他们基于Ra的实验结果提出了一种多色六棱柱InGaN/GaN nanowire LED 模型[1]。图 1(a)显示每根nanowire由300 nm的n-GaN层、60 nm六个垂直对齐的InGaN/GaN量子点发光层、150 nm的p-GaN层、150 nm 的 GaN六棱锥型覆盖层，以及100 nm的透明电极ITO层组成。蓝色、绿色和红色纳米线的直径分别为 630 nm、420 nm 和 220 nm。他们设置了3D 大盒型接收器和小盒型接收器，分别计算nanowire LED的发射功率和发光层内偶极子功率，通过它们的比值来定义LEE。此外，远场分布图由放置在结构上方的二维功率接收器捕获。如图1(b)所示，由于六边形对称性，它们模拟了两组分别由内切圆和外接圆定义的偶极子。偶极源的发射波长遵循未过滤的测量发射光谱（图1(c)中的实线）。此处，三色nanowire LED都存在旁瓣激发，因为In的原子浓度取决于其原子扩散，而此过程很难被完美控制。如图1(c)中虚线所示，此旁瓣激发可以通过应用滤色器来抑制。
图 1 (a) x-z 平面中的 FDTD 仿真模型示意图；(b) 蓝色六角形纳米线 LED 的顶视图；(c) 不同直径的单根nanowire LED 的实测EL光谱[1]
图 2(a-c)分别描绘了他们计算的蓝色、绿色和红色nanowire LED 的归一化二维角度分布。其中，蓝色nanowire LED (图 2(a))显示出最宽的角度分布，因为蓝色nanowire LED 拥有最大的直径和最短的光波长。因此，高阶波导模式被激发，导致较大的发射角。此外，绿色nanowire LED的角分布(图2(b))的强度峰值不在中心，这被称为batwing profile。另一方面，红色nanowire LED (图2(c))可以有效地将光集中在垂直方向。图 2(d) 中的实线描述了当方位角 φ = 0° 时蓝色、绿色和红色nanowire LED 的角度分布。[蓝、绿、红] nanowire LED的半高全宽(FWHM)为 [48°、47°、35°]，RGB nanowire LED 之间的角度不匹配导致不同视角 (θ)下的颜色偏移 (图 2(e)中的蓝线)。在±20°接收锥下，平均色偏为0.23，超过了人眼可察觉的水平。
通过优化p-GaN 覆盖层的高度以及发光层的垂直位置，他们发现蓝色、绿色和红色nanowire LED 的最佳条件是：1)完全去除p-GaN覆盖层，以及2)将底层n-GaN的厚度分别设置为120 nm、240 nm 和 250 nm。如图 2(d) 中的虚线所示，[蓝色、绿色、红色] nanowire LED 的角分布FWHM分别从[48°、47°、35°] 减小至 [37°、33°、24°]。由于角分布更为匹配，平均色移在θ= 20°时从0.023减少至0.013，直到θ> 25°时才可被人眼观测 (图 2(e))。
图 2 (a-c)优化前的(a)蓝色、(b)绿色和(c)红色 LED 的归一化二维角度分布；(d)未优化（实线）和优化后（虚线）nanowire LED 之间归一化一维角度分布的比较；(e)优化前后从0°到30°视角的模拟平均色移比较
考虑到AR成像系统接收锥通常为±20°，他们将有效LEE定义为±20°以内的光提取效率。经过优化后，[蓝、绿、红]nanowire LED的有效LEE分别从 [9.3%、18.8%、30.6%]增加到 [10.0%、25.6%、33.0%]。若蓝色和绿色InGaN/GaN nanowire LED 可以达到 58.5% 内部量子效率 (internal quantum efficiency, IQE)[2]，红色nanowire LED 可以达到 32.2% IQE[3]，那么其有效EQE将达到蓝色 = 5.9%，绿色= 15.0%，红色 = 10.6%。与蓝色[4-5]和绿色的InGaN µLED[4, 6-9]相比，他们的蓝色nanowire LED的性能优于10 µm及更小的µLED (图 3(a)）。此外，图3(b)表明绿色nanowire LED的有效LEE甚至高于 80 µm µLED。与红色的 AlGaInP µLED[10]相比，他们的红色nanowire LED 比20 µm的µLED更为高效 (图 3(c)）。与此同时，与10 µm的µLED相比，他们的蓝色nanowire LED可以提供接近的亮度，而绿色和红色的nanowire LED的效率分别高出了µLED 1.6倍和1.4倍。因此，nanowire LED在小像素尺寸下的效率明显高于µLED。
图 3 计算出的Nanowire LED的有效 EQE (水平虚线)与不同尺寸µLED的EQE测量值之间的比较(a)蓝色InGaN µLED[4-5]，(b)绿色InGaN µLED[4, 6-9]以及(c)红色 AlGaInP µLED[10]
Shin-Tson Wu教授团队借助三维偶极子云模型，对nanowire LED进行了结构优化，增加了有效光提取效率以及降低了角分布不匹配导致的角度色移。同时，他们将nanowire LED的有效光提取效率与µLED进行了比较，得出了在小像素尺寸下，nanowire LED的效率明显高于µLED的结论。该工作为今后nanowire LED技术在AR/VR的应用中打下了理论基础。该工作得到了友达光电(项目号6501-8A64)的支持，以“Directional high-efficiency nanowire LEDs with reduced angular color shift for AR and VR displays”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Science(光电科学) 2022年第12期。（来源：科学网）
参考文献
1. Ra Y-H, Wang R, Woo SY, Djavid M, Sadaf SM, et al. Full-color single nanowire pixels for projection displays.Nano Letters16, 4608-4615 (2016).
2. Jain B, Velpula RT, Bui HQT, Nguyen H-D, Lenka TR, et al. High performance electron blocking layer-free InGaN/GaN nanowire white-light-emitting diodes.Optics Express28, 665-675 (2020).
3. Nguyen HPT, Zhang S, Cui K, Korinek A, Botton GA, et al. High-efficiency InGaN/GaN dot-in-a-wire red light-emitting diodes.IEEE Photonics Technology Letters24, 321-323 (2011).
4. Smith JM, Ley R, Wong MS, Baek YH, Kang JH, et al. Comparison of size-dependent characteristics of blue and green InGaN microLEDs down to 1 μm in diameter.Applied Physics Letters116, 071102 (2020).
5. Olivier F, Tirano S, Dupré L, Aventurier B, Largeron C, et al. Influence of size-reduction on the performances of GaN-based micro-LEDs for display application.Journal of luminescence191, 112-116 (2017).
6. Templier F. GaN‐based emissive microdisplays: a very promising technology for compact, ultra‐high brightness display systems.Journal of the Society for Information Display24, 669-675 (2016).
7. Zhanghu M, Hyun B-R, Jiang F, Liu Z. Ultra-bright green InGaN micro-LEDs with brightness over 10M nits.Optics Express30, 10119-10125 (2022).
8. Wang L, Wang L, Chen CJ, Chen KC, Hao Z, et al. Green InGaN Quantum Dots Breaking through Efficiency and Bandwidth Bottlenecks of Micro‐LEDs.Laser & Photonics Reviews15, 2000406 (2021).
9. Hashimoto R, Hwang J, Saito S, Nunoue S. High‐efficiency green‐yellow light‐emitting diodes grown on sapphire (0001) substrates.Physica Status Solidi(c)10, 1529-1532 (2013).
10. Fan K, Tao J, Zhao Y, Li P, Sun W, et al. Size effects of AlGaInP red vertical micro-LEDs on silicon substrate.Results in Physics36, 105449 (2022).
研究团队简介
吴诗聪教授是美国中佛罗里达大学，光学与光子学院CREOL的讲座教授。他在中国台湾大学获得物理学学士学位，在美国南加州大学获得物理学博士学位。他入选了美国发明家学院首批院士(2012年)，以及成为了佛罗里达发明家名人堂的首批六位入选者之一 (2014年)。此外，他所获得的奖项包括Optica Edwin H. Land Medal (2022年)、SPIE Maria Goeppert-Mayer Award (2022年)、OSA Esther Hoffman Beller Medal (2014年)， SID Slottow-Owaki Prize（2011年)、OSA Joseph Fraunhofer Award (2010年)、SPIE G. G. Stokes Award (2008年)和 SID Jan Rajchman Award (2008年)。他的研究小组专注于增强现实(AR)和虚拟现实 (VR)，包括光学引擎(LCOS、mini-LED、micro-LED 和 OLED)、光学系统(光导、衍射光学和投影光学)和显示材料(液晶、量子点和钙钛矿)。
目前，吴教授课题组内共有九名博士生，一名硕士生，一名本科生和两名访问学者。吴教授的学生获得了很多奖项和奖学金。例如，2020年，湛涛(现就职于Apple)获得了 ILCS-FRL白金奖。2021年，熊江浩(现任教于北理工)和尹坤(现就职于亚马逊)分别获得ILCS-FRL钻石奖和白金奖。2022年，李闫南琦获得ILCS-FRL金奖，向恩霖获得了SPIE光学与光子学教育奖学金。2023 年，彭枫琳(现就职于 Meta Reality Labs)获得 SPIE 早期职业成就奖。课题组主页：https://lcd.creol.ucf.edu/
阅读原文
Qian YZ, Yang ZY, Huang YH, Lin KH, Wu ST.Directional high-efficiency nanowire LEDs with reduced angular color shift for AR and VR displays .Opto-Electron Sci1, 220021 (2022).
DOI:10.29026/oes.2022.220021
