中外研究员展示 84000 PPI 纳米级AR/VR OLED显示器
迄今为止报道的最高阵列密度（>84,000像素/英寸）和最小像素尺寸（~100纳米）
（映维网Nweon 2024年09月05日）LED的小型化可以支持高分辨率AR/VR。然而，与电子集成电路中的硅缩放不同，LED中无机III-V半导体的图形在亚微米尺度大大降低了器件效率。
针对这个问题，苏黎世联邦理工学院和华中科技大学展示了纳米级OLED的可扩展制造，其具有迄今为止报道的最高阵列密度（>84,000像素/英寸）和最小像素尺寸（~100纳米）。
有机半导体的直接纳米分子图案化是通过在附着在衬底的独立氮化硅薄膜制造的纳米孔进行自对准蒸发实现。从400万像素以上的纳米级OLED器件中提取的平均EQE高达10%。在亚波长尺度，单个像素充当电致发光的元原子，形成直接将电转换为调制光的超表面。纳米像素之间的衍射耦合可以控制远场发射特性，包括方向性和偏振性。
团队指出，研究结果为尺寸小于阿贝衍射极限的明亮表面光源奠定了基础，并为超分辨率成像、光谱学、传感和混合集成光子学提供了全新的技术平台。
小型化是AR/VR设备的趋势。对于这一点，无机III-V LED技术是一种有前途的候选技术。然而，无机LED受到尺寸相关的EQE降低影响，在半导体图图化过程中引起的非辐射复合缺陷急剧增加，大大损害了EL电致发光率。
在这方面，使用有机发射材料的一个长期忽视优点是，发射来自高度定位于非晶薄膜中单个分子的Frenkel激子，这使得OLED技术从根本上有利于小型化。然而，尽管它们广泛应用于大面积显示器，但由于有机材料与基于光刻技术的标准微加工工艺不兼容，制造小OLED像素依然具有挑战性。
对于商用OLED显示器，有机半导体的图案依赖于有机分子通过由Invar箔制造的精细金属掩膜直接蒸发，由于掩膜的厚度太大，无法实现亚微米分辨率。为了实现微型化LED的广泛应用，有机半导体的纳米级图案化必不可少。
在研究中，苏黎世联邦理工学院和华中科技大学展示了纳米OLED像素的可扩展制造，其阵列密度超过每英寸84,000像素，单个像素尺寸约为100纳米。
采用自对准纳米模板光刻技术实现了溶剂敏感有机发射层EML的直接纳米图像化。纳米模板光刻是一种通过独立膜（即纳米模板）的纳米孔进行荫罩蒸发的无阻力技术。纳米模板的薄性使其能够与目标衬底紧密粘附，从而允许纳米孔径图案的精确转移。
纳米模板可以在去除沉积在其上的材料后多次重复使用。另外，可以使用抗蚀膜来精细控制基板与模板之间的间隙，从而确保高成品率和可重复性。为了实现最小的OLED像素尺寸和间距，纳米模板的制造首先使用低压化学气相沉积在硅片上生长超薄（50 nm）氮化硅薄膜。
采用电子束光刻技术对SiNx薄膜的纳米孔进行图像化，然后采用选择性反应离子刻蚀RIE技术。接下来，通过干湿结合的深硅蚀刻将SiNx膜从支撑衬底释放出来。
图1a展示了一个包含52个芯片的4英寸晶圆，其中每个芯片有36个由不同图案的纳米模板掩模组成的独立窗口。
团队检查并优化了基于SiNx的纳米模板光刻工艺，通过阴影掩膜蒸发磷光guest:host EML系统，在CBP中掺杂8wt % Ir(ppy)3到硅和玻璃基板。
由于纳米孔径尺寸与SiNx膜的厚度相当，当基板与RADAK源轴对齐时，研究人员在整个纳米模板芯片区域获得了高度的均匀性，从而确保了分子束的垂直投影。
扩展图2e显示了其他周期性较大的纳米OLED设计的PL和EL显微图。与PL相比，纳米OLED的EL在整个器件面积上的均匀性较差，因为共享同一阴极的像素具有不同的电阻值。
团队已经评估了四种纳米OLED器件配置的器件特性。与配置B相比，配置C没有采用低电导率的PEDOT:PSS层。图2b和2c比较了它们的电流和EQE响应与电压的关系。正如预期的一一昂，配置B最大程度地抑制了泄漏电流。在器件导通电压下，与配置D相比，电流减小了5个数量级。
然而，团队观察到泄漏电流和大面积均匀性之间的权衡。在配置B中，绝缘屏障和有机纳米图案的大面积覆盖要求EML分子和氧等离子体通过膜纳米孔的通量精确对齐。RADAK源的窄径向通量分布降低了大面积的产率，影响了峰值EQE（5.2%）。
在配置A中，2.6 V时EQE峰值达到9.6%。在这里考虑的整个电压范围内，所有EQE值始终高于1%。研究人员将高效率归因于有机半导体的自下而上纳米图案，它不会引起结构缺陷。有机半导体的纳米级图像化使得LED在可见频率下的像素尺寸（< 1 /4）和周期性（< 1 /2）达到前所未有的小尺寸。对亚波长尺度的访问将LED的工作状态转移到波光学的工作状态，允许OLED像素充当元原子，并用于首次实现电致发光有机超表面。
相关论文：Nanomolecular OLED Pixelization Enabling Electroluminescent Metasurfaces
总的来说，团队已经证明了纳米OLED的可扩展制造，其像素尺寸和周期性小于可见光的衍射极限而不影响器件效率。发射性有机半导体的直接纳米图像化产生电致发光超表面，将电转换为具有可控方向性和极化的调制光。团队预计，定制有机半导体光子景观的能力将为LED设计开辟一个新的自由度，为新兴的OLED技术提供更大的优势。
