纳米线LED会成为AR和VR显示器的终极光引擎吗

高分辨率密度、宽视场 (FoV)、轻巧紧凑的外形以及低功耗是增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 显示器的苛刻要求。与液晶显示器 (LCD) 和有机发光二极管 (OLED) 显示器相比，microLED 因其高峰值亮度、出色的暗态、高分辨率密度、小尺寸和长寿命而受到更多关注。另一方面，随着芯片尺寸的减小，microLED 效率会因侧壁缺陷而降低。因此，除了制造成本高之外，高分辨率密度和外部量子效率 (EQE) 的权衡是将 microLED 用作 AR/VR 光引擎的主要挑战。

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。由于每个像素都是由亚微米纳米线阵列形成的，因此纳米线 LED 的效率与像素尺寸无关。2018 年，Aledia 报道了一种纳米线 LED，当间距尺寸从 1000 μm 减小到 5 μm 时，其 EQE 与间距尺寸无关。在不同的纳米线结构中，InGaN/GaN 线内点六角 LED 具有吸引力，因为其发射波长可以通过线径控制，并且其电性能优异。前者的特点大大降低了制造难度。然而，这些纳米线在远场中对红色、绿色和蓝色表现出不同的角度辐射模式，导致明显的角度色移。此外，定向光引擎是首选，因为 AR/VR 成像系统中的接受锥通常在 ±20° 以内。因此，应优化纳米线的几何形状，以同时实现三原色的匹配辐射模式、高光提取效率 (LEE) 和窄角度亮度分布。

本文的作者通过商业波动光学仿真软件有限差分时域(FDTD，Ansys inc.)通过 3D 偶极云优化了 InGaN/GaN 纳米线 LED 几何形状。他们基于 Ra 的实验结果提出了一种多色六角形单 InGaN/GaN 纳米线点 LED 模型。他们设置了 3D 大盒监视器和小盒监视器，分别计算发射功率和偶极子功率，通过它们的比值定义光提取效率 (LEE)。此外，远场分布图由放置在结构上方的二维功率监视器捕获。如图1(b)所示，由于六边形对称性，它们模拟了两组分别由内切圆和外接圆定义的偶极子。偶极源的发射波长遵循未过滤的测量发射光谱(图 1(c)中的实线)。没有滤色器的三个纳米线都有旁瓣发射，因为铟吸附原子扩散很难被完美控制。如图 1(c) 中的虚线所示，在应用滤色器后，这种旁瓣发射被显着抑制。

通过考虑AR成像系统接受锥，作者将有效LEE定义为±20°以内的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 InGaN µLED 相比，假设 100% 的产生光可以耦合到成像系统中，他们的蓝色纳米线 LED 显示出比台面尺寸小于 10 µm 的 µLED 更好的性能，如图所示. 3(a). 此外，图 3(b) 表明绿色纳米线 LED 的有效 LEE 甚至高于 80-µm µLED。与 AlGaInP 红色 µLED 相比，它们的红色纳米线 LED 比 20 µm 芯片尺寸的 LED 更高效(图 3(c))。值得注意的是，与 10 µm 的台面尺寸相比，蓝色纳米线 LED 提供相似的亮度，而绿色和红色纳米线 LED 的效率分别高出 1.6 倍和 1.4 倍。因此，纳米线 LED 在小像素尺寸和高分辨率密度下表现出明显高于 µLED 的效率。