當前，新型冠狀病毒仍在持續，對產業及企業造成了一定程度的影響，也牽動著各行各業人們的心。在此形勢下，中國半導體照明網、極智頭條，在國家半導體照明工程研發及產業聯盟、第三代半導體產業技術創新戰略聯盟指導下，開啟疫情期間知識分享，幫助企業解答疑惑。助力我們LED照明企業和產業共克時艱！
本期，我們邀請到中南大學教授、微電子科學與工程系副主任汪煉成帶來了“先進GaN基LED器件研究-從半導體照明到Micro-LED顯示和可見光通信”的精彩主題分享，以下為主要內容：
一、LED及半導體照明基礎和背景
應用于LED的氮化物材料，包括GaN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN二元及多元化合物，它有兩個非常顯著的特點：一是理論上，通過調節化合物的三族組分比例，III族氮化物半導體可以覆蓋整個可見光區域、部分紅外線和深紫外線區域；比如In 組分為0.15-0.2左右的InGaN組分在藍綠光區域，而AlGaN則在紫外區域；二是在整個合金范圍內都為直接帶隙半導體。這一點非常重要。這兩個特點使得氮化物材料非常適合作為發光材料。
氮化物LED的原理就是電子和空穴分別從n型GaN和p型GaN注入到設定深度的量子阱內，輻射復合而發光。目前氮化物LED的成熟外延材料一般在藍寶石襯底上形成，依次包括：u-GaN, n 型GaN,多量子經，AlGaN電子阻擋層，p型GaN。
目前氮化物LED的器件結構主要有正裝結構，倒裝結構和垂直結構。正裝結構LED是最簡單的，也是最常見的，因為藍寶石的絕緣性質，所以通過刻蝕臺面把n 型GaN層暴露，然后進一步沉積透明電極，金屬電極和側壁絕緣物，完成器件制作。倒裝結構LED則是把正裝LED倒扣，倒裝焊接到另外基板上，這樣就不需要打線，可以更好散熱和更高功率。但是正裝和倒裝結構的藍寶石襯底都還在，并且電流都是側向流通，垂直結構則是去掉藍寶石襯底，將外延層材料轉移到異質襯底，比如銅，硅上，實現垂直電流注入和更好的光熱電性能。
氮化物LED看似好像很簡單，但實際經歷了很長的一個發展歷程，主要受限制于兩個技術瓶頸：一是藍寶石和GaN晶格不匹配，使材料質量非常低；二是 p-GaN 一般通過Mg摻雜，但是Mg和生長中的形成絡合物。2014諾貝爾物理學獎得主授予了Nakamura, Amano等單位日本科學家，他們通過兩步法生長和高溫退火激活解決了這兩個難題，LED的效率得到顯著的提升。氮化物LED的技術進步極大促進了LED的半導體照明技術發展，LED燈具基本流程如圖所示，依次為外延，芯片制程，然后封裝，模組化成燈具。
從2004年左右科技部和中科院成立國家級的研發聯盟和平臺開始，我國半導體照明科研和產業在最近20年都得到了加速的發展。相關團隊獲得多項國家級的科技獎項，包括李晉閩團隊：高光效長壽命半導體照明關鍵技術與產業化，2019國家科技進步獎一等獎；江風益團隊：硅襯底高光效GaN基藍色發光二極管”2015年國家技術發明一等獎。李晉閩團隊還獲得“低熱阻高光效藍寶石基GaN LED材料外延及芯片技術”，國家科學技術發明二等獎。獎項包括科研和產業，涵蓋半導體照明的材料生長，芯片制造和封裝各個環節。
二、Micro-LED顯示和可見光通信
GaN LED器件作為半導體照明的核心芯片，半導體照明的發展也促進拉動和催化了LED作為光源器件在其他方向的發展，包括Micro-LED顯示和可見光通信。
1.Micro LED技術特點
Micro LED技術，即LED微縮化和矩陣化技術。指的是在一個芯片上集成高密度微小尺寸的LED陣列，如LED顯示屏每一個像素可定址、單獨驅動點亮，可看成是戶外LED顯示屏的微縮版，將像素點距離從毫米級降低至微米級。
相比傳統的液晶顯示，包括LED背光的液晶顯示、OLED顯示，Micro LED技術具有諸多特點：
自發光無需背光源（相對LED背光的液晶和量子點顯示）；電光轉換效率更高，功耗低；穩定性好，使用壽命長（相對有機OLED顯示）；無尺寸發展限制（只需要擴大Micro LED矩陣的數目和尺寸即可，不象液晶顯示非常受限于液晶面板的大小，液晶面板的尺寸升級需要巨大的資金投入和技術壁壘）；超快速切換時間（Micro LED的切換時間，決定于載流子的復合壽命，主要在ns級，而比如OLED顯示，其切換時間在微秒級別）。
美國德州理工的H. X. Jiang團隊在很早報道了Micro LED，10×10 陣列連線布局，目前有中科院半導體所，香港科技大學、深圳南方科技大學，廣東半導體研究院，福州大學等；而業界公司有三星、Luxvue、Mikro Mesa、索尼、Playnitrides等。Micro LED技術不斷推進：無源驅動到有源驅動，單色顯色到全彩顯示，低分辨率到高分辨率，單純顯示功能到顯示通信功能集成。產業上大公司投資收購動作頻頻：2014年蘋果公司收購Luxvue，Facebook收購沉浸式虛擬現實技術公司Oculus，夏普收購MicroLED的新創公司eLux，Google注資瑞典Micro LED制造商Glo。
2.RGB三色LED法
Micro LED顯示在系統技術上主要是全彩化和巨量轉移。每個LED脈沖寬度調制(PWM)電流驅動，通過設置電流有效周期和占空比來實現數字調光。例如一個8位PWM全彩LED驅動芯片，可以實現單色LED的28=256種調光效果，對于一個含有三色LED的像素理論上可以實現256立方種顏色顯示單個像素中的每個LED都有一定的半波寬(半峰寬越窄，LED的顯色性越好)和光衰現象，產生LED像素全彩顯示的偏差問題。
3.UV/藍光LED+發光介質法
將發光介質通過噴涂法在UV/藍光LED上面，每個單元含有三個發光單元。熒光粉顆粒的尺寸較大，約為1-10微米，隨著micro-LED 像素尺寸不斷減小，熒光粉涂覆變的愈加不均勻且影響顯示質量。
臺灣交通大學郭浩中教授和南方科技大學孫小為教授在量子點彩色化方面做了不少工作。還有其他一些方法，比如三色棱鏡法將紅、綠、藍三色的micro-LED陣列分別封裝在三塊封裝板上，并連接一塊控制板與一個三色棱鏡。通過驅動面板來傳輸圖片信號，調整三色micro-LED陣列的亮度以實現彩色化，并加上光學投影鏡頭實現微投影。
Micro-LED顯示需要將巨量的micro-LED芯片從母板上轉移到具有驅動電路的基板上組裝，矩陣化，實現顯示功能。巨量轉移是個很關鍵的技術。臺灣工研院，蘋果，X-celeprint等開發形成了巨量轉移的專利和技術，大致是基于靜電，范德華力，重力以及卷對卷印刷技術。
X-celeprint的范德華力轉印是從美國西北大學院士John Rogers，柔性電子的先驅孵化出來的。轉印包括三個物體，印章，芯片和襯底的兩個界面，芯片/襯底以及印章/芯片。在拿取芯片的時候，快速提取，使得印章/芯片的界面力大于芯片/襯底的界面力，從而吸取芯片同原襯底分離；在放置的時候，緩慢下降，使印章/芯片的界面力小于芯片/新襯底的界面結合力，于是實現芯片放置和轉移。
當然這是個非常不錯的技術，但是也許存在可靠性方面問題：一方面，為了減少芯片/原襯底界面結合力，需要蝕刻犧牲等方法底切界面。這對GaN材料其實沒那么容易，因為GaN材料很難被蝕刻。另一方面，芯片通過范德華力和新襯底結合的可靠性問題，也許需要更進一步的退火等工藝來加固芯片/新襯底的界面力。總而言之，Micro-LED巨量轉移技術應該來說取得了不錯的進展，但是在可靠性，良率和轉移速度等方面還需要進一步提高。
4.可見光通信技術
可見光通信通過人眼識別不了的高頻來控制LED燈的明暗，明代表1，暗代表0，接收端通過傳感器來接收光信號，傳輸二進制信號。
可見光通信具有以下優點：
國內外的研究機構對可見光通信進行了你追我趕式的研究。可見光通信技術國內外研究進展代表性成果如下圖：
產業化方面，英國愛丁堡大學hass教授組孵化出來的purelifi 公司和法國的oledcomm公司。purelifi 公司和英國電信商沃達豐合作，進行了可見共通信的一些應用場景展示，他們也提供解決方案。oledcomm公司開發了可見光通信的模塊，所謂的LiFiMAX® Discovery Kit，可以安裝在房間屋頂，然后插上類似U盤，可以實現可見通信的家居和辦公。
可見光通信的進一步發展還需要突破或者考慮：1.技術數據上行；2.功能通照、通顯一體化系統；3. 應用場景突破；4. 可見光污染防控；5.光源帶寬拓展
除了Micro-LED顯示和可見光通信的LED新應用LED在植入式光療，柔性顯示，高質量的半導體照明等其他新的應用方面，LED器件本身面臨問題和挑戰。需要針對具體應用，對LED器件研發和設計。并不是一個LED器件可以包打天下，能滿足所有需要，那不現實也不太可能。
三、LED器件新應用面臨問題和挑戰
總的來說，在包括高質量半導體照明、Micro-LED顯示、可見光通信、柔性顯示和植入式生物醫療等應用場景，LED器件本身面臨發光側壁效應，發光半高寬，柔性制造和可靠性，發光光束，直調速率，集成系統,顯色性和效率等問題和挑戰。
1. 問題和挑戰-1：Micro-LED 側壁效應
傳統LED面積比較大，其具有數百微米的邊緣側壁，側壁效應中并不重要。Micro-LED尺寸非常小，側壁效應顯著甚至是致命的。Micro led制作過程中的干法蝕刻會引入很多的側壁缺陷，會成為表面復合和非輻射復合的通道，導致發光效率降低和發光均勻性等問題。下圖來自河北工業大學張紫輝教授的optics express文章，可以看出，當傳統led和micro led具有絕對面積一樣的側壁時，micro led的效率會急劇降低。
Micro LED的峰值效率通常低于10%，而Micro LED通常必須以非常低的電流密度運行,所以Micro LED效率非常低，功耗比例大。提高效率的辦法包括引入新的Micro LED芯片設計,使得Micro LED在額定工作電流下可以具有比較高的效率，另外要改進Micro LED制造技術，包括刻蝕工藝優化，表面鈍化層沉積等。
2. 問題和挑戰-2 ：Micro-LED光束調控
LED 光為近似瑯勃光源，它的發光輻射強度和亮度等呈現瑯勃分布規律。隨著Micro LED像素縮小，側壁面積占整體表面積比增大，側壁發光占據很大成分，不可忽視。
在Micro顯示中影響比較大，會帶來比較大的串擾效應：（1）RGB三芯片彩色化中，Micro LED像素單元發光會串擾到相鄰像素，而此像素LED可能為關閉的，這就會影響相鄰像素的黑色水平，因為理想情況此像素是完全關閉不發光顯示的，從而影響顯示的對比度，黑色水平；（2）對光致熒光（QD)彩色化Micro LED顯示來說，同一個像素單元的比如藍光Micro LED發光可能會激發同一像素里的紅綠色熒光粉，降低顯示的色純度、飽和度等。Micro LED 光束調控不僅包括Micro LED本身發光光束的調控，也包括光致彩色光的光束調控和管理。
Micro LED 顯示與 LED-LCD，QD-LCD，或薄膜OLED， QD LED主動發光均不同，適合點陣式Micro LED 顯示的光束調控（非相干光波動光學調控、瑯勃光源幾何光學調控、結構設計制造，如側壁反射膜，圍壩等）。LED的光譜半高寬有20nm左右，在時域和頻域是非相干的；空間出光瑯勃分布，在空間也是非相干的。現在研究比較多的metasurface等一般是基于相干光的激光的光束整形，即beam shaping, 對非相關LED光的metasurface，共振腔等波動光學調控還需要進行探索和研究。
幾何光學調控主要是芯片的塑形，Micro LED芯片主要是矩形的，基于矩形的比如側壁塑形，甚至不同形狀芯片，比如六邊形、三角形等將對它的光束光場分布產生影響，并且產生的效果和傳統LED不太一樣的效果。
Micro LED芯片結構設計和制造，包括幾何光學的一些比如側壁塑形，也包括比如側壁反射鏡，底部反射鏡等結構設計制造。臺灣交通大學郭浩中教授在photonics research 上報道了基于光刻膠的圍壩結構和工藝，就是在Micro LED芯片周圍噴涂一圈光刻膠，吸收側壁發出的光，從而降低像素串擾。
Micro LED芯片的光束調控和用于顯示的串擾因素可能還同具體的Micro LED芯片結構、尺寸以及Micro LED陣列的間距等相關。LED外延材料差不多6-10微米厚，當前Micro LED尺寸可以到10微米甚至以下，Micro LED芯片的尺寸和厚度相當，而一般藍寶石襯底在100微米以上，Micro LED芯片用于Micro LED顯示還是必然要把藍寶石襯底去除，一般是通過倒裝或者垂直結構LED，再激光剝離，這樣就把芯片有源層倒置在下面了，也就是有源層離表面有芯片的厚度，6-10微米厚。在越小間距情況下，相鄰像素和像素內不同色彩單元的串擾，相比有源區如果在芯片頂部的話會越嚴重。這是Micro LED芯片和尺寸，間距的可能影響。
3. 問題和挑戰-3： Micro-LED直調速率
Micro LED面試具有快速切換能力，由于載流子復合壽命ns級別（300MHz），相比OLED μs提高。但5G+4K顯示和可見光通信應用仍需進一步提高；目前可見光通信Micro LED極高電流密度（KA/cm2）獲得小的差分載流子壽命（效率低，散熱難，實際應用認為不可取）。
影響GaN LED直調速率的因素有：
（1）材料：GaN/InGaN量子阱壓電極化場，使電子和空穴分開（半極性、非極性材料，微納結構LED）
（2）器件：常規大面積器件（200μm)大的電容，RC效應[Micro-LED]。
（3）白光LED器件：斯托克斯轉換慢，熒光發光慢[新型熒光材料（QD、Conjure polymer)，三色LED]
（4）Purcell效應（光學共振腔、等離激元）利用。
（5）激光器、超輻射二極管通信（不同于Micro-LED，有電流閾值，電流密度高）
另外，可以通過利用purcell效應來提高發光效率和調制速度。Purcell效應告訴我們，物質的發光性能不僅僅由物質本身性質決定，同時也受到環境模式太密度的影響。基于此，可以設計人工結構，比如共振強和金屬等離激元來提高LED直調速率。金屬等離激元是由于具有很小的模式體積，而共振腔的品質因子很高。南京大學劉斌教授課題組在等離激元增強發光方面做了很多漂亮的工作。但也正由于等離激元的模式體積小的特點，使得它的作用距離比較短，需要使金屬等離激元離有源區的距離比較近，這會增加器件短路的風險。另外，金屬本身會使發光quench, 因此需要平衡purcell增強和發光quench兩方面的因素。
基于激光器、超輻射二極管可見光通信有不少報道，光源帶寬和通信速率得到極大增強，但是激光器、超輻射二極管都存在電流閾值，工作電流密度高，同時結構復雜，光照面積大小，人體潛在危害性比較大。LED在這方面具有優勢。
4. 問題和挑戰-4：Micro-LED發光半高寬
Micro-LED發光半高寬會影響Micro LED顯示的對比度。對于RGB三芯片彩色化：Micro LED發光半高寬影響顯示色閾、色純度；光致熒光（QD)彩色化：Micro LED發光影響藍色色閾。雖然Micro LED發光半高寬目前為20nm左右，能有一個比較好的顯示效果。但是進一步提高顯示閾值和色純度等，還需要降低半高寬。
可能有人會覺得直接用激光器就是，因為激光器具有極窄的半高寬，但是Micro LED結構簡單，沒有電流驅動閾值。基于激光芯片的DMD投影和電視最近有很多產品，包括海信等，但是也有他的問題，而且和Micro LED顯示是完全不同的技術路線了。而激光芯片直接像素顯示似乎無人報道，技術難度，功耗，驅動控制等問題很大。另外，Micro LED顯示單像素點的亮度并不需要很大，所以激光的高強度并無必要。
5. 問題和挑戰-5：柔性制造和可靠性
柔性Micro LED在柔性顯示、植入式生物醫療等有潛在應用。柔性顯示目前應用基本上是基于有機AMOLED材料和技術。美國西北大學John Rogers組，通過Laser lift off和Transfer Printing, 將Micro LED在柔性顯示、植入式生物醫療。但是正如在巨量轉移技術中討論的，需要將GaN/襯底界面先底切蝕刻，才能實行轉印。而GaN/襯底界面是比較難以蝕刻的，這增加了柔性制造和轉移的困難以及可靠性，成功率和工藝復雜性。
iBeam Materials公司報道了基于金屬薄膜襯底的直接外延生長（GaN-on-metal），制造柔性LED。但是并無更多的相關LED質量，良率等方面的繼續報道。總之，柔性LED和Micro存在制造工藝復雜性、可靠性、效率和良率等問題。
6. 問題和挑戰-6：發光效率和顯色性
這里發光效率指白光LED的流明效率。半導體照明經過快速的發展，其發光效率已經可以達到250lm/W以上。隨著進一步的深化和要求提高，半導體照明的質量要求也在提高，包括顯色性，色溫等。
但是白光LED發光效率和顯色性存在平衡矛盾：人眼峰值相應550nm，理論上在此波長下可以獲得最大的發光效率，但是提高 CRI需要擴展光譜, 而這將降低發光效率。如何降低白光LED發光效率droop，如何在維持甚至提高其顯色指數下提高發光效率是個需要探討研究的問題。
7. 問題和挑戰-7：LED光電/光系統集成
LED光電/光系統集成對本身LED器件的結構性能等提出要求。LED光電/光系統集成包括照明、顯示和光通信的功能集成，如顯通、照通、顯照甚至顯照通，高效高顯色性、高分辨率高對比度和高速寬帶寬的性能集成，大功率、高密度和高頻驅動的結構集成。GaN 材料和Si等材料的異質材料集成， GaN LED和Si CMOS、GaN HEMT等功能單芯片集成，三維/曲面/柔性異質復雜結構形態集成。GaN LED和探測器、光波導等片上光通信集成。
四、課題組先進LED器件研究進展
我們主要是圍繞先進LED器件，面向在半導體照明，可見共通信和Micro LED顯示方面的器件問題和挑戰，從器件物理，器件結構和器件工藝，進行協同設計制造和分析，研發比如低功耗，高光效，快速調制LED器件，也取得了一點點的成果。
1. 研究進展-I：低電壓LED
主要是從金屬半導體接觸：機制、工藝，歐姆接觸是影響LED電壓和功耗的重要因素。通過原位高溫沉積，選擇性蝕刻沉積，原位插入層等工藝解決p-GaN 功函數大、接觸電阻大、氮極性面GaN金屬接觸等問題，實現世界最低、接近理論極限值的LED正向工作電壓VF (2.75V@350mA, 3.04V@1000 mA)—傳統商業LED 3.2V@350mA。 這是LED電壓晶圓掃描圖，可以看出90%的LED器件電壓在2.8-2.9V，非常高的良率。
低功耗LED實現得益于各個界面的接觸電阻的降低，各個擊破。對于激光剝離后的N極性面的歐姆接觸，我們比較了平整N面和濕法蝕刻后粗化N面，發現平整N面具有更低的比接觸電阻率，到-6級別。這是由于激光剝離造成界面一些缺陷，可以作為界面的隧穿通道。
在p-GaN面，我們通過原位高溫沉積Ni/Ag/Pt/Au，同時獲得了低比接觸電阻率，-5級別，高反射率和高黏附性的p面歐姆接觸反射鏡，我們理解分析主要是通過控制金屬原子的橫向和縱向遷移。
我們也研究了石墨烯透明電極在LED里應用。由于石墨烯和p-GaN具有比較高的勢壘差，導致較大的勢壘高度和電阻。通過在石墨烯和p-GaN間插入金屬納米顆粒，外界摻雜等作用，有效降低了界面電阻。
另外也通過原位生長pn隧穿結，刻克服了石墨烯和p-GaN直接接觸，獲得的TJ LED+Grap:3.99 V@20 mA, LOP = 10.8 mW，而Ref LED+ITO:3.36 V@20 mA, LOP = 12.6 mW。
電流擴展是個很古老的話題，但是對于LED器件電壓的降低和效率的提升非常的重要。但是對于電流擴展與效率droop的關系還沒有一個定量化的研究。傳統的ABC效率模型默認載流子，電流在LED器件是均勻分布的，但其實電流分布是不均勻的。
我們在這里把電流擴展的因素代入到傳統ABC模型，得到了電流擴展與效率droop的關系，并且明確了：一是電流擴展長度是縱向比接觸電阻率，和橫向接觸電阻的比值開方。這對于我們進行LED電極設計非常重要。二是LED的wall plug效率并不是縱向比接觸電阻率越小越好，因為越小，不利于電流的橫向擴展，會影響LED的效率。當然也不能大，增加LED的工作電壓。所以對于wall plug效率來說，縱向比接觸電阻率存在最佳值。
2.研究進展-II：微納LED制造
針對大面積，多形態微納表面結構快速制造難技術問題，我們開發了膠體特爾伯特光刻和低成本高效大面積無缺陷 (120μm2)自組裝微納制造的工藝。LED光功率提高到原來的2.5倍。
3.研究進展-III:柔性Micro-LED
基于N 極性面濕法蝕刻技術，我們制作了垂直結構金字塔Micro LED。由于濕法蝕刻使應力得到釋放，同時減薄銅襯底，我們展示了基于銅襯底的垂直結構柔性LED。前面Ibeam material 采用的是在金屬襯底上直接生長制作柔性LED，我們是基于傳統藍寶石襯底，在垂直結構LED工藝路線的基礎上結合N 極性面濕法蝕刻技術，石墨烯透明電極互聯技術等。
柔性垂直結構金字塔Micro LED是建立在我們對GaN材料N 極性面濕法蝕刻比較深入的研究基礎上。我們對蝕刻溫度，濃度等條件下GaN材料N 極性面蝕刻規律進行了研究，并且展示了N 極性面濕法蝕刻藍寶石和GaN界面，從而分離藍寶石襯底和GaN。基于N 極性面濕法蝕刻技術，我們還制作了垂直結構金字塔micro LED，柔性垂直結構金字塔micro LED是在這個基礎上的進一步嘗試。
4.研究進展-IV:發光快速調制LED
（1）更快藍光多納米結構 LED：針對大面積LED有源發光區壓電極化問題，通過設計多納米結構，用膠體特爾伯特光刻方法制造納米柱、納米孔、納米環LED，釋放應力，載流子復合壽命從最高17.1ns降至6.7ns， 光致發光強度增加1倍。
（2）全濕法蝕刻制造垂直結構金字塔微腔 Micro-Emitter：用全濕法蝕刻新制造方法制造垂直結構金字塔微腔 Micro-LED：具有良好光學限制、有利電注入實現 、散熱好優點，金字塔微腔目前已實現光泵浦激射，Q≈6070，顯示在直調速率方面潛力。
（3）更快調制nanohole-LED和白光LED；量子點/Ag NMs 填入nanohole array中:LED量子阱中電子空穴對與量子點的非輻射能量轉移路徑來克服斯托克斯速度慢。Ag NMs 金屬表面等離激元調制：Purcell效應，匹配LED與Ag NMs的吸收峰，提高載流子的復合速率。
（4）高帶寬和顯色指數單芯片無熒光粉白光LED；針對有源區壓電極化和熒光粉問題，提出自組裝InGaN量子點有源區結構實現無熒光粉單芯片白光LED：1）比傳統量子阱有源區應力減小，提高載流子的復合速度；2）利用In的不同遷移聚集得到大小形狀不一的InGaN量子點，代表著不同程度的In局域化，獲得寬譜白光。此器件低電流密度下高3dB調制帶寬：在電流密度為72A/cm2時達到最大3dB調制帶寬為154MHz，遠高于現在一般白光LED（10MHz），光色電參數相對色溫為6253K，顯色指數=72。
（5）快速調制白光LED：針對傳統白光LED斯托克斯轉換和熒光延時問題，對熒光粉結構創新：1）寬譜綠色熒光粉（LuAG:Ce）結合窄譜紅色量子點（CdSe/ZnS）：實現具有高顯色指數、光譜可有效調控的全光譜白光；2）引入Ag、Au復合納米顆粒：使金屬表面等離激元共振峰與藍光芯片和綠色熒光粉的發射峰對應，提高直調速率和光轉換速度。此項工作美國光學快報雜志Feature article,英國專業媒體雜志《Semiconductor today》在線報道。
5.研究進展-V:光束整形LED
光束整形方面，我們提出了垂直共振腔Micro-LED。關鍵詞是垂直結構，共振腔和Micro，使得器件具有不同于傳統垂直結構LED, 傳統RC LED，以及常規Micro-LED,具有比較優異的光電和熱性能：光束調控方向更直，光譜更窄，波導模式抑制使效率更高，垂直結構銅襯底使散熱性能更好。
另外，我們在波動光學氮化物metasurface 光束調控上做了一些初級探索性工作，利用導模共振，通過調節結構的參數，寬譜氮化物meta-reflector；基于小尺寸衍射相位理論，制作氮化物metalens，實現了紫外聚焦與成像。現在的波段在紫外波段，有待擴展到非相干LED可見光。另外也正在研究基于micro LED的幾何光學shaping設計等工作。
總結：
1）半導體照明用LED成熟發展期，而新型顯示、可見光通信、柔性顯示和植入式光療器件等除了巨量轉移等關鍵技術外，也對GaN基LED元器件本身性能提出了更多的要求。
2）Micro-LED不僅僅是傳統LED尺寸的縮小，在光束、光效、載流子復合壽命等方面性能上差別較大。
3）先進GaN基LED元器件，不僅僅在于效率，直調速率、發光光束、發光光譜、顯色性以及柔性制造及可靠性，系統集成等方面研發提升應用空間還很大。
4）中南大學寬禁帶半導體課題組將持續先進LED器件研發，特別感謝中科院半導體所等合作單位的長期支持和幫助。也感謝聯盟的邀請，很高興有這個寶貴的機會和大家分享GaN基LED器件方面的內容，也希望與大家一起交流討論。
【嘉賓簡介】
汪煉成，中南大學教授，微電子科學與工程系副主任；先后在中科院半導體研究所, 新加坡南洋理工大學，新加坡科技大學和英國謝菲爾德大學從事博士和博士后研究工作，2017年回國在中南大學建設了第三代半導體實驗室和團隊，致力于第三代半導體器件和系統的研究。在GaN基 LED器件方面有十余年的研究經驗，主要成果有：性能國內領先、國際一流垂直結構LED，石墨烯透明電極在LED中應用，和適應于高質量半導體照明、顯示和可見光通信的先進LED器件。工作數次被專業媒體如Compound Semiconductor、Semiconductor Today 報道，獲最佳年輕研究人員（英國物理協會，半導體科學與技術雜志，2018）、湖湘高層次創新人才（湖南省科技廳，2018）、CASA第三代半導體卓越創新青年(國家第三代半導體聯盟，2019）等榮譽和獎勵。
（文字根據直播內容編輯整理，略有刪減）
問答環節
目前Micro LED技術產業化應用還存在諸多挑戰，對于其潛在應用或未來市場開發您怎么理解？
汪煉成：個人比較淺顯的理解是可能在一些比較小尺寸、單色顯示的應用場合會首先實現突破。比如手表的顯示，據了解有企業在研發將Micro LED顯示技術用于手表，應該會有產品出現。
產業化角度，三星、索尼等都開發了Micro LED概念性電視，但是成本還非常高，對于普通消費者還難以接受，更多處于概念性展示階段。不過，隨著巨量轉移技術的成熟和其他方面成本的降低，相信Micro LED顯示產品價格會逐漸降低，至少會進入到高端顯示的行列市場。
生外延長中In組分不均勻也會造成發光均勻性的問題，這個問題目前有沒有得到比較好的控制？
汪煉成：對于GaN/InGaN 量子阱來說，In組分都應該是分布不均勻的，因為In存在一個局域化效應，但In組分不均勻應該不會造成發光的不均勻性，因為In組分不均勻屬于微觀層面，發光則偏宏觀層面。但In組分不均勻可能會造成光譜的展寬，甚至會造成發光多峰的現象。
