中佛罗里达大学研究为Micro-LED AR/VR显示提高光提取效率

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在±20度视锥内实现了不明显的角度色彩偏移,并提高了光提取效率

映维网Nweon 2023年01月17日)对于增强现实和虚拟现实而言,高分辨率密度、宽视场、轻量化和紧凑的形状参数、以及低功耗是非常苛刻的要求。与LCD和OLED相比,Micro- LED由于其高峰值亮度、优异的暗状态、高分辨率密度、小形状参数和长寿命而受到大量的关注。但随着芯片尺寸的减小,由于侧壁缺陷,Micro-LED效率降低。

所以除了高制造成本外,高分辨率密度和外量子效率(EQE)之间的权衡是将Micro-LED应用于AR/VR光引擎的主要挑战。

在一份名为《Directional high-efficiency nanowire LEDs with reduced angular color shift for AR and VR displays》的论文中,中佛罗里达大学的研究人员提出通过了一种可以减少角度色彩偏移的定向高效纳米线LED。在实验中,团队在±20度视锥内实现了不明显的角度色彩偏移,并提高了光提取效率。

团队表示,纳米线LED显示出同时实现高分辨率密度和高EQE的巨大潜力。由于每个像素由亚微米纳米线阵列形成,纳米线LED的效率与像素大小无关。2018年的一篇报道曾指出,当间距从1000μm减小到5μm时,纳米线LED的EQE与间距大小无关。

在不同的纳米线结构中,InGaN/GaN线中点六边形LED具有吸引力,因为其发射波长可以由线直径控制,并且其电性能优异。另外,前一特征显著降低了制造难度。

然而,这种纳米线在远场中呈现出不同的红色、绿色和蓝色的角辐射图案,并导致明显的视觉色彩偏移。同时,定向光引擎属于首选项,因为AR/VR成像系统中的视锥体通常在±20度范围内。因此,应优化纳米线的几何形状,从而同时实现三原色的匹配辐射图案、高光提取效率(LEE)和窄角度亮度分布。

中佛罗里达大学的研究人员通过商用波动光学模拟软件Finite-Difference Time-Domain,利用三维偶极子云优化InGaN/GaN纳米线LED的几何结构。他们基于实验结果提出了一种多色六边形单InGaN/GaN点插纳米线LED模型。

他们分别计算发射功率和偶极功率,并通过比率定义光提取效率(LEE)。另外,远场分布图由放置在结构上方的2D监视器捕捉。如图1b所示,由于六边形对称性,他们模拟了两组偶极子,分别由内切圆和外切圆定义。

偶极子源的发射波长遵循未过滤的测量发射光谱(图1c中的实线)。由于铟原子扩散很难完全控制,所有三种没有滤色器的纳米线都具有旁瓣发射。如图1c中虚线所示,在应用滤色器后,这种旁瓣发射被显著抑制。

通过考虑AR成像系统锥体,团队将有效LEE定义为±20度内的LEE。优化后,蓝色、绿色和红色纳米线LED的有效LEE分别从9.3%、18.8%、30.6%增加到10.0%、25.6%、33.0%。

与尺寸相关的蓝色和绿色InGaNµLED相比,假设产生的光100%可以耦合到成像系统中,其蓝色纳米线LED的性能优于台面尺寸小于10µm的µLED。实验表明,绿色纳米线LED的有效LEE甚至高于80µmµLED。

相关论文Directional high-efficiency nanowire LEDs with reduced angular color shift for AR and VR displays

与AlGaInP红色µLED相比,其红色纳米线LED的效率高于20µm芯片尺寸的LED。值得注意的是,与10µm台面尺寸相比,蓝色纳米线LED提供了相似的亮度,而绿色和红色纳米线LED可以分别提供1.6倍和1.4倍的效率。因此,在小像素尺寸和高分辨率密度下,纳米线LED显示出明显高于µLED的效率。


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