新的黑科技？納米LED技術解析

LED是我們在日常生活中廣泛接觸到的電子產品，從燈具到顯示器，從手機到手電筒，LED具備的高亮度、長壽命以及節能的特性，為其帶來了大量的用戶，並佔領了大片市場。不過，技術的發展總是無止境的，LED目前面臨著OLED的競爭，自身也在尋求著改變。現在有一種新的技術，它不但可以大幅度提升LED的壽命、亮度和能耗比，還有希望挑戰OLED，實現更高能效的顯示。這就是下面要介紹的納米LED。

小知識：LED和它的工作原理

LED的由來最早可追溯到1961年。當時美國德州儀器公司的Robert Biard與Gary Pittman發現砷化鎵半導體的紅外放射作用。1962年通用電氣的尼克?何倫亞克開發出第一種可實際應用的可見光發光二極體，只能發出紅光，用於指示燈等產品。在經過很長一段時間的摸索後，1993年，日本日亞化學工業的中村修二發明了基於寬能隙半導體材料氮化鎵和氮化銦鎵（InGaN），得到了發藍光的LED產品並獲得了諾貝爾獎。通過不斷地調整半導體的成分，人們目前可以製造紅、橙、黃、綠、藍、紫等各種色彩的LED產品。

常見的LED二極體

LED燈的外觀，黃色部分就是發光部件。

從工作原理來說，LED實際上是一種半導體二極體，由三價元素與五價元素所組成，PN結結構，具有單向導電性。當LED加入正向電壓後，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴複合，產生自發輻射的螢光。螢光的波長和顏色與所使用的半導體物料種類和加入的雜質元素相關。

在光照方面，LED發出的光波長是固定的，因此無法發出混合的白光。要想LED發出白光，要麼使用三原色，也就是紅綠藍三色LED進行組合而生成白光；要麼使用二次激發的方法，通過激發螢光劑來獲得白光。不過採用三原色的白光LED成本較高，激發法製造的白光LED發光效率比較低。目前我們使用的絕大部分LED照明產品的白光，都是採用二次激發的方法，發光效率和能耗比還有不小的提升空間。

LED螢光粉，用藍色LED激發後可以實現白光照明。

通過上文的解釋，我們大概明白了LED的結構和發光表現，以及如何製造出白光LED產品。下面，我們一起來看看什麼是納米LED。

什麼是納米LED

眾所周知，目前的LED產品體積相對來說都是肉眼可見級別的，無論是普通的發光二極體還是LED燈帶，其中的LED發光體尺寸大約在毫米級別，是可以用眼睛看到的。不過，如果將毫米級別的LED發光體縮小到納米級別，並使用半導體工藝製造的話，是否就會成為一種全新的產品呢？沒錯，這就是nanowire LED，也就是納米LED（也被稱為nLED）的雛形。

傳統的二極體LED螢幕，由於解析度問題，只能在較遠的距離觀看。

根據一些研發機構的定義，納米LED是這樣一種產品—它通過先進的半導體製造工藝，將原本肉眼可見尺寸級別的LED，以柱狀形式集成在一塊單獨的晶片上。每個柱狀的LED柱都擁有PN結結構，能夠獨立發光，微觀上看起來是一個微縮了無數倍的LED。從尺寸角度來看，普通的LED產品尺寸在毫米級別，而納米LED的尺寸在幾十納米到幾微米級別，一個毫米級別的空間內能夠繼承數萬根這樣的LED柱狀體。那麼問題就來了，為什麼要製作納米LED呢？它的優勢在哪裡呢？

納米LED的微觀照片，可見單片基板上集成了大量的柱狀LED。

更高效率的發光體

在介紹了納米LED的基本情況後，我們來看看納米LED在性能方面具備怎樣的優勢。如果用最直觀的資料來舉例的話，納米LED的亮度最高可以達到目前OLED的10倍，並且功耗只有OLED的1/4左右。

再來看一些具體的資料，納米LED的最高亮度大約可達2萬尼特每圖元、最高圖元密度至少不低於2000ppi，功耗只有LCD的1/5或者OLED的1/4，色域範圍可以覆蓋大於150% NTSC色域，由於其自發光的特性，對比度可以做到理論上的無限大。壽命方面則高達10萬小時以上，完全可以用於任何顯示裝置。用於顯示裝置的話，目前的LCD顯示器大約只有3%~4%的電能轉化為光能，發光效率大約在3~4lm/W。手機上應用的OLED表現更好一些，約有超過50%的電能轉化為光能，發光效率大約在4~5lm/W。相比之下，納米LED可以將80%的電能轉化為光能，發光效率高達12~16lm/W。

納米LED的優勢在於可以在單片基板上實現白光LED，圖為一個個納米LED柱狀體。

如何應用納米LED

在今年央視春節聯歡晚會上，大家應該看到了LED螢幕應用後為舞臺帶來的變化，那種動態的、流光溢彩的舞臺效果是傳統任何舞臺都無法媲美的。實際上目前的LED螢幕，是採用大量的RGB三原色LED發光二極體點陣組成的。也就是說，使用RGB三原色的LED發光二極體，就能夠搭建顯示幕幕，實現畫面動態呈現。不過，由於發光二極體體積較大，只有在距離較遠的情況下才不會呈現粗糙的顆粒感和圖元感。

你可能會問了，正在介紹納米LED，為什麼突然提起春晚呢？聰明的讀者肯定已經想到了，根據上文敘述的原理，如果納米LED在一個晶片上是由很多的柱狀LED構成的話，那麼實現單片白光LED就基本上沒有什麼難度了。簡而言之，人們可以在一個晶片上，通過調整不同區域的LED柱體的成分配比，實現單片RGB三色LED均勻存在，只要在亮度上做出適當調配後，單片白色LED就將成為可能。不僅如此，這樣的LED也可以通過電路控制，不斷改變色彩，發出紅、綠、藍三種顏色中的一種，最終成為顯示器基本元素。

就目前來看，對於納米LED的應用，工程人員主要有如下的想法：

高亮度單片白光LED產品

目前的白光LED產品都是通過二次激發獲得的，需要單色LED產品並搭配相應的螢光粉。激發過程是一個耗能過程，多餘的能量通過熱量散發，因此整體效率不夠高。除此之外，螢光粉還存在壽命衰減、色溫衰減等問題。但是如果使用RGB三基色組合而成白光納米LED的話，就不存在螢光粉的問題。無論是溫度控制、壽命衰減都能得到很好的解決，整體效能也將會大大提升。

以納米LED製造顯示器

目前的顯示器雖然宣稱是LED背光，但是也僅僅是背光而已。一般來說，LED背光需要使用白光作為光源，再經過濾波片分解成RGB不同的色彩，還需要由液晶顆粒開關控制不同色彩通道的亮度，最終呈現出千變萬化的色彩。實際上在這個過程中，LED的單色光源經過激發轉化為白光，白光再分光為單色光，再經過液晶顆粒，實際光照效率甚至會縮減至10%以內。除此之外，LED背光是常亮的，黑色需要關閉液晶顆粒來實現，在對比度表現比較糟糕。

傳統液晶顯示器原理，這種液晶顯示器的光損耗是比較高的。

鑒於LED背光顯示器的問題，廠商目前正在考慮全面轉向自發光的OLED。相比LED，OLED由於自發光，RGB色彩都可以實現，因此不存在激發、分光和後期經過液晶顆粒時的衰減問題。這一點和納米LED基本相同。隨著技術進一步發展，納米LED也能夠實現在單片顆粒上顯示、控制RGB三原色的亮度，因此整體使用和顯示效果不但能夠匹敵OLED，甚至在發光效率、圖元體積方面還有所超越。目前OLED由於紅、綠、藍衰減問題，廠商不得不多佈置綠色顆粒，實現全壽命下的白平衡基本穩定。根據前文資料，納米LED的發光效率幾乎可以達到OLED的兩到三倍。在這一點上，納米LED就好很多。因為納米LED的發光原理和OLED不同，在壽命表現上會有一定優勢。

納米LED原理和OLED類似，都是直接自發光的圖元點，圖為AMOLED圖元點。

在VR領域的應用

目前VR設備在高速發展中，不過在顯示方面還有很多問題沒有解決。其核心問題是VR內置的顯示幕幕顯示精細度不高。現有絕大部分VR設備的顯示器都沿用現有液晶顯示幕或者OLED屏，這兩者在圖元顆粒小型化方面存在一定的問題。液晶顆粒在現有的中遠距離應用中是足夠的，但是在VR這種超近距離並且放大圖元的設計中顯然不夠精細，OLED則由於本身原理問題，想進一步縮小存在困難，因此我們看到的VR畫面可能有嚴重的顆粒、存在柵格、亮度對比度不夠高，嚴重影響了畫面真實感。但是這些問題在納米LED上可能得到很好的解決。

納米LED的發光來自於微小尺寸的納米柱體，在工藝滿足要求的情況下，人們可以通過控制納米LED發光簇來實現精細的顯示。也就是說，納米LED能夠實現的最小圖元顆粒比目前流行的OLED更為精細。且納米LED本身的高亮度等特性也會帶來更好的對比度、更好的圖像效果。能耗比方面，由於納米LED天生低功耗，因此應用在VR頭盔等設備上，也會有非常出色的能耗表現，續航和發熱等都會表現得更為出色。

納米LED工藝待突破

從性能和應用來看，納米LED幾乎不存在什麼弱點，是一個出色的顯示產品。不過，納米LED從概念提出到現在接近成功，已經在實驗室中推進研發了十餘年。但直到今天，納米LED的終端產品仍未上市，問題究竟在哪裡呢？答案很簡單，那就是工藝。

納米LED如果要產業化，就必須在目前的半導體工藝下實現量產，也就是實現納米LED在矽基板和玻璃基板上的生產。根據幾家研發納米LED的廠商所提供的資料，納米LED的工藝基本上可以完全相容目前的半導體生產工藝，其改造和遷移並不複雜。不過考慮到納米柱狀發光體的特性和目前半導體生產工藝，其面臨的問題也不小。主要就是如何穩定、均勻地控制基板上的納米LED柱狀體生成，並盡可能降低壞點和死點。另外，納米LED控制部分的線路佈置，也需要進一步研究。

目前納米LED正處在產業化的前期，其展示出來的技術實力和性能優勢頗為令人心動。不過保守估計來看的話，納米LED大概還需要3~5年才會正式走入我們的生活。本刊也會在未來的文章中，和各位讀者一起繼續追蹤納米LED的技術發展步伐。