高效率、高色纯度的红色微发光二极管

为何微小的红光很重要

从超高清的增强现实眼镜到墙面般巨大的电视，下一代显示技术依赖于称为微型LED的微观光源。蓝色和绿色器件已相当出色，但制造同样优良的红色像素长期以来一直困难重重。本研究报告了一种新型红色微型LED，具有异常纯净的色彩、高效率和显著的稳定性——这些都是实现逼真、省电显示和快速光通信的关键要素。

为未来屏幕提供更锐利的色彩

屏幕上的每一幅彩色图像都是由微小的红、绿、蓝点构成。要获得最丰富、最准确的图像，每个点应发出非常窄的波长范围，就像精确调谐的音符，而不是嘈杂的和弦。当前的红色微型LED往往在较宽的颜色范围内发光，并且在加大驱动时会向橙色偏移，从而模糊整体色彩表现。该团队的目标是制造在色调上保持稳定并产生极窄光谱片段的红色微型LED，从而实现比现有技术更广的色域和更清晰的对比度。

构建纳米尺度的“光柱森林”

研究人员没有制造平面的LED，而是生长了规则排列的半导体纳米线“森林”——每根纳米线直径仅几百纳米——以精确重复的结构排列成称为光子晶体的阵列。这些纳米线由InGaN和GaN制成，这类材料以坚固耐用且能在同一材料体系内覆盖蓝、绿、红波段而闻名。每根纳米线内部经过精心设计的层促使材料发出深红光。薄薄的氧化铝(Al₂O₃)和二氧化硅(SiO₂)涂层保护纳米线侧壁，减少缺陷，并帮助控制光从结构中逸出的方式。

用内建光学晶格驯服光

有序的纳米线阵列不仅是发光材料的承载体——它还像一个微小的光学晶格来引导光。通过调节纳米线的间距和直径，团队使得红色发光层的自发辐射锁定在光子晶体的一种特殊“带边”模式。在这种模式下，光被汇聚到非常窄的波长范围内并主要垂直发出，而不是侧向泄漏。测量显示发射峰位于617纳米，半高全宽仅约5纳米——大约比典型红色InGaN LED窄十倍左右。关键是，即使驱动电流变化超过一个数量级，该峰位几乎不移动，意味着在暗到亮的范围内感知到的颜色保持不变。

明亮、高效且极为稳定

用一层薄薄的Al₂O₃进行表面钝化被证明至关重要：它抑制了沿纳米线侧壁的漏电流，改善了整流特性，并实现了较高的外量子效率（EQE）——即成功将电子转换为光子的比例。经优化的器件面积仅为一平方微米，达到了约12%的EQE，比同类红色InGaN微型LED高出数倍，并比未钝化的版本高出两个数量级以上。实验还显示，发射光束在垂直方向附近高度集中，发散角小，与计算机模拟结果良好一致。这种方向性使得在显示或自由空间光链路中捕获光变得更容易。

这对日常技术意味着什么

对非专业读者而言，结论是：研究人员展示了迄今为止用相同的氮化物材料制成的一些最纯净且最有效的红色微型LED，这些材料已被用于蓝色和绿色器件。他们的颜色坐标匹配标准电视规范中的“基色红”，并且发射在亮度变化时仍保持红色且清晰。由于这些基于纳米线的器件可以高密度封装并与同一芯片上的电子设备集成，它们为全色、高分辨率的微型LED显示器以及快速、低功耗的光通信系统提供了一条有前景的路径——所有这些都基于单一、稳健的半导体平台。

引用: Wu, Y., Xiao, Y., Reddeppa, M. et al. High efficiency, high color purity red micro-light-emitting diodes. Light Sci Appl 15, 133 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02227-3

关键词: 微型LED显示器, 红色InGaN LED, 纳米线光子晶体, 色彩纯度, 外量子效率