LED迈入纳米时代

像素尺寸仅为数微米的MicroLED，长期以来一直是显示领域的代名词。如今，MicroLED 厂商已开始将产品进一步缩小至尚未被充分探索的纳米领域。今年1月，一家名为Polar Light的初创公司推出了直径小于 500 纳米的蓝色LED原型。这引发了一个极具吸引力的问题：LED 究竟能缩小到什么程度？

我们知道，答案至少是小得多。在过去一年里，两个不同的研究团队已经展示出尺寸在 100 纳米及以下的LED像素。这些是人类迄今制造出的最小LED之一。尽管它们在效率上仍有诸多不足，但总有一天，NanoLED有望为超高分辨率虚拟现实显示器和高带宽片上光子系统提供动力。从这些早期尝试来看，制造更小LED的关键，或许在于采用更非常规的LED结构。

LED的全新技术路线

以Polar Light为例。和许多LED一样，这家瑞典初创公司的二极管由氮化镓（GaN）、铟镓氮（InGaN）等 III‑V 族半导体制成。但与许多自上而下刻蚀形成的LED不同，Polar Light采用自下而上的方式，生长出形状特殊的六角锥结构。

Polar Light最初是为规模更大的MicroLED市场而设计的这种锥状结构，并计划在 2026 年底开始量产。但他们也想测试这种锥状结构究竟能缩到多小。截至目前，他们已做出直径 300 纳米的锥状 LED。“我们尚未触及极限。” Polar Light首席执行官奥斯卡・法耶松表示，“我们知道极限在哪里吗？不，我们不知道，但我们可以把它们做得更小。”

在其他实验室，研究人员已经实现了这一点。全球制造最小的LED的研究团队，大多数是放弃标准 III‑V 族半导体、转而使用其他材料（如有机 LED，OLED）。

“我们为有机半导体探索了一条不同的路径。” 瑞士苏黎世联邦理工学院的化学工程师Chih-Jen Shih表示。他与同事希望找到一种能大规模制造小型 OLED 的方法。利用基于电子束光刻的技术，他们制备出了像素小至 100 纳米的绿色 OLED 阵列。

当下最顶尖的显示器像素密度约为每英寸 14000 像素，而这些NanoLED可以达到每英寸 10 万像素。

另一个团队则尝试了钙钛矿材料，这种笼状结构材料以高效太阳能电池而闻名，近来也在LED领域受到关注。“我们想看看，如果把钙钛矿LED不断缩小，直到微米、纳米尺度，会发生什么。” 中国杭州浙江大学狄大卫团队从尺寸相对巨大的钙钛矿LED像素（数百微米）开始，逐步制备出越来越小的像素。即便突破1微米后，他们仍未停下：890 纳米、440 纳米，最终止步于90 纳米。

效率挑战

遗憾的是，尺寸缩小是有代价的，LED 越小，效率往往越低。狄大卫团队的钙钛矿NanoLED 外量子效率约为 5% 到 10%；Chih-Jen Shih团队的纳米 OLED 阵列表现稍好，最高超过 13%。作为对比，一颗普通毫米级 III‑V 族LED根据发光颜色不同，效率可达 50% 到 70%。

但Chih-Jen Shih乐观认为，通过改进纳米 OLED 的制备工艺，可以提升其效率。“理论上，即使像素更小，OLED 也能实现 30%、40% 的外量子效率，只不过优化工艺需要时间。” Chih-Jen Shih说。

狄大卫则认为，研究人员可以通过材料改性，让钙钛矿NanoLED的效率不再那么低。尽管他的团队目前正聚焦尺寸更大的钙钛矿MicroLED，但他预计，研究者们最终必须解决NanoLED的效率差距问题。如果小尺寸LED的应用前景足够诱人，“这个问题将会变得越来越重要。”

NanoLED能用来做什么？

这么小的LED究竟能用来做什么？目前对更小像素的需求主要来自智能眼镜、VR 头显等设备。这些显示设备的制造商迫切追求更小的像素，以实现极致画质与低功耗（这也是效率至关重要的原因之一）。Polar Light的法耶松表示，如今智能眼镜厂商已经在追求3微米像素。

但研究人员怀疑，VR 显示设备是否真的需要小于 1 微米的像素。如果像素过度缩小，将会突破光的衍射极限，这意味着它们会小到人眼无法分辨。Chih-Jen Shih和狄大卫团队的 100 纳米、90 纳米像素，已经跨过了这一极限。

超小LED或许更适合用在片上光子系统中，让 AI 数据中心等场景实现比现有方案更高的通信带宽。芯片制造巨头台积电已经在试验MicroLED 互联，不难想象，未来芯片厂商会转向尺寸更小的 LED。

而最小的那些NanoLED，甚至可能拥有更奇特的应用，因为它们比自身发出的光波长还要小。“从工艺角度看，你正在制造一种过去无法实现的全新器件。” Chih-Jen Shih团队已证明，他们的纳米 OLED 可以构成超构表面，一种利用像素纳米尺寸来控制像素间相互作用的结构。未来，类似器件可以将NanoLED 的光汇聚成类激光光束，或是打造全息3D NanoLED显示屏。