Đèn LED đỏ siêu nhỏ sáng hơn 3,6 lần: bước đột phá mới cho màn hình micro-LED màu đầy đủ

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Osaka (Nhật Bản) vừa tìm ra phương pháp giúp đèn LED đỏ micro-LED phát sáng mạnh hơn 3,6 lần so với kỹ thuật thông thường. Đây là tiến bộ đáng kể trong nỗ lực giải quyết rào cản kỹ thuật cuối cùng trên con đường đưa màn hình micro-LED màu đầy đủ ra thị trường thương mại.

Tại sao đèn LED đỏ là điểm nghẽn của màn hình micro-LED?

Micro-LED được xem là thế hệ kế tiếp của công nghệ màn hình — vượt trội hơn OLED về độ sáng, tuổi thọ và mức tiêu thụ điện năng. Song để tạo ra hình ảnh màu đầy đủ, màn hình cần tích hợp đồng thời ba nguồn sáng đỏ, xanh lá và xanh lam trên cùng một nền tảng.

Trong khi LED xanh lam và xanh lá dựa trên vật liệu InGaN đã đạt hiệu suất cao, đèn LED đỏ micro-LED vẫn là mắt xích yếu nhất. Vấn đề không chỉ là độ sáng thấp — bước sóng của LED đỏ còn dễ bị dịch chuyển trong quá trình hoạt động, khiến màu sắc hiển thị không nhất quán, một khiếm khuyết không thể chấp nhận trong sản phẩm thương mại.

GaN pha tạp europium và giải pháp từ mặt phẳng bán cực

Nhóm nghiên cứu Đại học Osaka, phối hợp cùng Đại học Ritsumeikan, tập trung vào vật liệu gallium nitride pha tạp europium (GaN:Eu) — ứng viên triển vọng nhất cho LED đỏ thế hệ tiếp theo nhờ phát ra ánh sáng đỏ với bước sóng hẹp và ổn định, phù hợp để tích hợp nguyên khối với LED xanh lam và xanh lá.

Vấn đề của phương pháp nuôi cấy truyền thống trên mặt phẳng phân cực (0001) là tạo ra quá nhiều tâm phát quang hiệu suất thấp ngoài ý muốn, làm hạn chế lượng ánh sáng đỏ phát ra. Nhóm nghiên cứu đã thay thế bằng mặt phẳng bán cực (2021) — và kết quả vượt ngoài kỳ vọng.

Cơ chế mà các nhà khoa học gọi là “tự hình thành có chọn lọc” đã xảy ra: các tâm phát quang hiệu suất thấp không còn xuất hiện, trong khi hai tâm hiệu quả cao OMVPE7 và OMVPE8 lần lượt tăng lên 139 lần và 53 lần. Tổng cường độ phát sáng đỏ cao hơn 3,6 lần so với phương pháp cũ ở mật độ kích thích tối đa được sử dụng trong nghiên cứu.

Công trình được công bố trên tạp chí khoa học Applied Physics Letters.

Nếu cần giải pháp màn hình hiển thị chi tiết, tham khảo tại liên hệ lắp đặt tại HCOM.

Nếu cần giải pháp màn hình hiển thị chi tiết, tham khảo tại liên hệ lắp đặt tại HCOM.

Oxy — nhân tố then chốt đằng sau hiệu ứng bán cực

Phân tích sâu hơn chỉ ra rằng lượng oxy tích hợp cao hơn trong quá trình tăng trưởng bán cực chính là nguyên nhân cốt lõi. Oxy được cho là ngăn chặn sự kết tụ của các ion Eu — nguyên nhân trực tiếp sinh ra các tâm phát quang kém hiệu quả — đồng thời thúc đẩy hình thành cấu trúc cục bộ liên quan đến tâm OMVPE7 hiệu suất cao.

Phát hiện này có giá trị lớn vì nó cung cấp cơ chế vật lý rõ ràng, không phải kết quả thử nghiệm ngẫu nhiên, mở ra hướng tối ưu hóa có kiểm soát trong các bước phát triển tiếp theo.

Sáng hơn và ổn định hơn trong điều kiện thực tế

Đáng chú ý hơn cả con số 3,6 lần là độ ổn định bước sóng LED của vật liệu bán cực duy trì ngay cả dưới cường độ kích thích cao — điểm mà phương pháp thông thường thường suy giảm đáng kể. Đây là yếu tố quyết định khi đưa vào ứng dụng thực tế, bởi màn hình thương mại vận hành liên tục ở mức cường độ cao.

Một lợi thế bổ sung: mặt phẳng bán cực vốn đã được ưu tiên trong sản xuất LED InGaN xanh lam và xanh lá để giảm dịch chuyển bước sóng. Điều đó có nghĩa là cả ba màu đều có thể được tối ưu trên cùng một nền tảng bán cực, mở đường cho tích hợp nguyên khối micro-LED ba màu — mục tiêu trung tâm mà ngành công nghiệp màn hình đang theo đuổi.

Triển vọng thương mại và bước tiếp theo

“Kết quả của chúng tôi cho thấy chỉ cần thay đổi mặt phẳng tăng trưởng tinh thể là có thể tạo ra sự tự hình thành có chọn lọc các tâm phát quang Eu hiệu quả cao. Tăng trưởng bán cực là con đường rất mạnh mẽ để tạo ra các bộ phát ánh sáng đỏ GaN:Eu sáng hơn”, Giáo sư Shuhei Ichikawa, tác giả chính, phát biểu. Ông kỳ vọng nghiên cứu sẽ thúc đẩy tối ưu hóa quy trình chế tạo thiết bị và tích hợp micro-LED đa màu hướng tới ứng dụng thực tiễn.

Với lộ trình kỹ thuật ngày càng rõ ràng, màn hình micro-LED màu đầy đủ với độ phân giải cực cao, gam màu rộng và bước sóng ổn định đang tiến gần hơn đến hiện thực thương mại.