“降尺度”在電子科學中特指縮小基本器件尺寸的過程，引領著電腦科學、資訊顯示和人機互動等領域的技術革命。科學家一直渴望造出更加微小的器件。有源矩陣micro-PeLED微顯示器呈現的圖像。浙江大學供圖近日，浙江大學教授狄大衛和研究員趙保丹團隊研發的微米鈣鈦礦發光二極體（micro-PeLED）和奈米鈣鈦礦發光二極體（nano-PeLED）達到了傳統發光二極體（LED）難以觸及的90奈米尺寸新極限。同時，降尺度過程僅造成微弱的性能損耗。相關研究成果發表於《自然》。“微型化”的追求根據資訊技術的發展規律，積體電路上可容納的電晶體數量大約每兩年翻一番，性能也會相應提升。這使電子裝置運行速度越來越快、製造成本越來越低。從誕生初期需要若干房間安置的電腦到如今集諸多應用功能於一體的小巧手機，從第一個紅光LED到如今色域寬廣、色彩豐富的各式螢幕以及增強現實（AR）和虛擬現實（VR）眼鏡……器件的“微型化”成為科學家不斷追求的目標。“目前世界最先進的顯示技術是基於Ⅲ-Ⅴ族半導體的micro-LED，被認為是顯示器的‘終極技術’。”論文通訊作者狄大衛介紹，micro-LED就是一種降尺度的LED，通過縮小LED的尺寸，可實現超高畫質、超高精度的光電顯示。受限於複雜的工藝技術，micro-LED的製造成本極高。更為重要的是，當像素尺寸減小到約10微米或更小時，micro-LED的效率會急劇下降。而這正是超高解析度的高端AR/VR應用所需要的像素尺寸。此外，昂貴的價格與較低的發光效率限制了其大規模商業應用。鈣鈦礦LED是一種可應用於顯示、照明和通訊等領域的新型光源，在色彩純度、色域寬度上有極大的優勢。幾年前，從Ⅲ-Ⅴ族半導體micro-LED的微型化研究中得到啟發，狄大衛團隊開始研製用於未來顯示技術的更小的鈣鈦礦LED。初步嘗試後，團隊於2021年首次提出micro-PeLED的概念，後續獲得了國家與國際專利。“雕刻”更小的鈣鈦礦LED“鈣鈦礦LED微型化不能沿用micro-LED的技術。而且，傳統的光刻工藝會破壞鈣鈦礦材料。”狄大衛說，製造微型鈣鈦礦LED最簡單的方法是對其頂部和底部的電極接觸進行圖案化處理，用電極重疊的區域定義發光像素區域。但是這種方法會使像素邊界處的鈣鈦礦材料暴露在電極邊緣，容易產生非輻射能量損耗，降低LED效率。“我們設計了一套區域接觸工藝，能夠在附加絕緣層中引入由光刻製作的圖案化窗口，以確保像素區域遠離電極邊緣。”論文第一作者、浙江大學博士研究生連亞霄介紹。這一工藝有效保證了LED的發光效率，使團隊能夠製造像素尺寸從數百微米到90奈米的鈣鈦礦LED。論文通訊作者趙保丹說：“對於綠色和近紅外鈣鈦礦LED而言，當像素尺寸在數百微米到3.5微米範圍時，外量子效率均保持在20%左右。”研究團隊開發的micro-PeLED和nano-PeLED相較基於Ⅲ-Ⅴ族半導體的micro-LED具有優勢，大約在180奈米的極小尺寸才開始顯現降尺寸效應，此時的效率降低至最高值的50%。而傳統micro-LED在尺寸低於10微米時效率就已經顯著下降。狄大衛說：“論文中所展示的nano-PeLED最小可達90奈米，是迄今報導過的最小LED像素。”基於此，團隊建立的具有12.7萬PPI超高解析度的LED像素陣列也創下所有類型LED陣列的最高解析度紀錄。向“極致”突破“探索極限、做領域中最難且正確的事就是我們所有人的目標，它凝聚起整個團隊的力量。”狄大衛表示，在學生培養方面，團隊有自己的哲學，即以解決真正的困難問題為導向形成個人的內驅力。談到論文的技術性，審稿人感嘆“論文背後巨大的工作量”。趙保丹說，“這篇論文集合了所有主要作者所掌握的關鍵技術，每個人都貢獻了自己的智慧和努力。”探索LED降尺寸性能的極限源於團隊的好奇心，但要進一步激發生產力，還需要讓實驗室的發現、發明走向實際應用。實用的顯示器件，需要由可程式設計電路驅動LED陣列傳達有用資訊，這需要產業界的合作。為此，團隊與杭州領摯科技攜手製作了由TFT背板驅動的有源矩陣micro-PeLED微顯示器原型，能夠呈現複雜的圖像和視訊，目前正在積極推動技術應用。“我們很高興看到micro-PeLED和nano-PeLED作為下一代光源技術在AR/VR顯示以及其他領域的應用潛力。”狄大衛說。 (中國科學報)