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纳米线发光二极管能否成为ar/vr光学引擎的最佳解法？ |
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高分辨率、宽视场角(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) 显示器的必需要求。与液晶显示器(lcd) 和有机发光二极管(oled) 显示器相比，微型发光二极管(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许多关注。另一方面，随着尺寸的缩小，microled 的效率会因侧壁缺陷而降低。因此，高分辨率密度和外部量子效率(external quantum efficiency, eqe)的权衡是将 microled 用作 ar/vr 光引擎的主要挑战。
纳米线发光二极管(nanowire led) 拥有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，当像素间距尺寸从 1000 μm 减小到 5 μm 时，其eqe与该间距尺寸无关。在不同的纳米线结构中，ingan/gan dot-in-wire led 因其直径相关的发射波长和出色的电学性能而极具吸引力。值得注意的是，ingan/gan dot-in-wire led 的发射波长取决于其直径，这大大降低了制备的难度。然而，rgb三原色的远场角分布在此类nanowire led中不匹配，这会导致明显的角度色移。此外，由于在ar/vr 成像系统中，镜片对于光学引擎的接受锥通常在±20°的范围内。因此，有高定向性的光学引擎可以极大地提高光线利用率并减少功耗。所以这种nanowire led的几何形状需要被优化，以同时实现三原色的角度分布匹配、提升光提取效率(light extraction efficiency, lee)以及收窄角分布。
美国中佛罗里达大学的shin-tson wu教授的研究小组使用商用波动光学仿真软件finite-difference time-domain (fdtd, ansys inc.)通过3d偶极子云(dipole cloud)优化ingan/gan nanowire led几何结构。他们基于ra的实验结果提出了一种多色六棱柱ingan/gan nanowire led 模型[1]。图 1(a)显示每根nanowire由300 nm的n-gan层、60 nm六个垂直对齐的ingan/gan量子点发光层、150 nm的p-gan层、150 nm 的 gan六棱锥型覆盖层，以及100 nm的透明电极ito层组成。蓝色、绿色和红色纳米线的直径分别为 630 nm、420 nm 和 220 nm。他们设置了3d 大盒型接收器和小盒型接收器，分别计算nanowire led的发射功率和发光层内偶极子功率，通过它们的比值来定义lee。此外，远场分布图由放置在结构上方的二维功率接收器捕获。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）。此处，三色nanowire led都存在旁瓣激发，因为in的原子浓度取决于其原子扩散，而此过程很难被完美控制。如图1(c)中虚线所示，此旁瓣激发可以通过应用滤色器来抑制。
图 1 (a) x-z 平面中的 fdtd 仿真模型示意图；(b) 蓝色六角形纳米线 led 的顶视图；(c) 不同直径的单根nanowire led 的实测el光谱[1]
图 2(a-c)分别描绘了他们计算的蓝色、绿色和红色nanowire led 的归一化二维角度分布。其中，蓝色nanowire led (图 2(a))显示出最宽的角度分布，因为蓝色nanowire led 拥有最大的直径和最短的光波长。因此，高阶波导模式被激发，导致较大的发射角。此外，绿色nanowire led的角分布(图2(b))的强度峰值不在中心，这被称为batwing profile。另一方面，红色nanowire led (图2(c))可以有效地将光集中在垂直方向。图 2(d) 中的实线描述了当方位角 φ = 0° 时蓝色、绿色和红色nanowire led 的角度分布。[蓝、绿、红] nanowire led的半高全宽(fwhm)为 [48°、47°、35°]，rgb nanowire led 之间的角度不匹配导致不同视角 (θ)下的颜色偏移 (图 2(e)中的蓝线)。在±20°接收锥下，平均色偏为0.23，超过了人眼可察觉的水平。
通过优化p-gan 覆盖层的高度以及发光层的垂直位置，他们发现蓝色、绿色和红色nanowire led 的最佳条件是：1)完全去除p-gan覆盖层，以及2)将底层n-gan的厚度分别设置为120 nm、240 nm 和 250 nm。如图 2(d) 中的虚线所示，[蓝色、绿色、红色] nanowire led 的角分布fwhm分别从[48°、47°、35°] 减小至 [37°、33°、24°]。由于角分布更为匹配，平均色移在θ= 20°时从0.023减少至0.013，直到θ> 25°时才可被人眼观测 (图 2(e))。
图 2 (a-c)优化前的(a)蓝色、(b)绿色和(c)红色 led 的归一化二维角度分布；(d)未优化（实线）和优化后（虚线）nanowire led 之间归一化一维角度分布的比较；(e)优化前后从0°到30°视角的模拟平均色移比较
考虑到ar成像系统接收锥通常为±20°，他们将有效lee定义为±20°以内的光提取效率。经过优化后，[蓝、绿、红]nanowire led的有效lee分别从 [9.3%、18.8%、30.6%]增加到 [10.0%、25.6%、33.0%]。若蓝色和绿色ingan/gan nanowire led 可以达到 58.5% 内部量子效率 (internal quantum efficiency, iqe) [2]，红色nanowire led 可以达到 32.2% iqe [3]，那么其有效eqe将达到蓝色 = 5.9%，绿色= 15.0%，红色 = 10.6%。与蓝色[4-5]和绿色的ingan µled[4, 6-9]相比，他们的蓝色nanowire led的性能优于10 µm及更小的µled (图 3(a)）。此外，图3(b)表明绿色nanowire led的有效lee甚至高于 80 µm µled。与红色的 algainp µled[10]相比，他们的红色nanowire led 比20 µm的µled更为高效 (图 3(c)）。与此同时，与10 µm的µled相比，他们的蓝色nanowire led可以提供接近的亮度，而绿色和红色的nanowire led的效率分别高出了µled 1.6倍和1.4倍。因此，nanowire led在小像素尺寸下的效率明显高于µled。
图 3 计算出的nanowire led的有效 eqe (水平虚线)与不同尺寸µled的eqe测量值之间的比较(a)蓝色ingan µled[4-5]，(b)绿色ingan µled[4, 6-9]以及(c)红色 algainp µled[10]
shin-tson wu教授团队借助三维偶极子云模型，对nanowire led进行了结构优化，增加了有效光提取效率以及降低了角分布不匹配导致的角度色移。同时，他们将nanowire led的有效光提取效率与µled进行了比较，得出了在小像素尺寸下，nanowire led的效率明显高于µled的结论。该工作为今后nanowire led技术在ar/vr的应用中打下了理论基础。该工作得到了友达光电(项目号6501-8a64)的支持，以“directional high-efficiency nanowire leds with reduced angular color shift for ar and vr displays”为题作为封面文章发表在opto-electronic science (光电科学) 2022年第12期。（来源：科学网）
参考文献
1. ra y-h, wang r, woo sy, djavid m, sadaf sm, et al. full-color single nanowire pixels for projection displays. nano letters 16, 4608-4615 (2016).
2. jain b, velpula rt, bui hqt, nguyen h-d, lenka tr, et al. high performance electron blocking layer-free ingan/gan nanowire white-light-emitting diodes. optics express 28, 665-675 (2020).
3. nguyen hpt, zhang s, cui k, korinek a, botton ga, et al. high-efficiency ingan/gan dot-in-a-wire red light-emitting diodes. ieee photonics technology letters 24, 321-323 (2011).
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10. fan k, tao j, zhao y, li p, sun w, et al. size effects of algainp red vertical micro-leds on silicon substrate. results in physics 36, 105449 (2022).
研究团队简介
吴诗聪教授是美国中佛罗里达大学，光学与光子学院creol的讲座教授。他在中国台湾大学获得物理学学士学位，在美国南加州大学获得物理学博士学位。他入选了美国发明家学院首批院士 (2012年)，以及成为了佛罗里达发明家名人堂的首批六位入选者之一 (2014年)。此外，他所获得的奖项包括optica edwin h. land medal (2022年)、spie maria goeppert-mayer award (2022年)、osa esther hoffman beller medal (2014年)， sid slottow-owaki prize（2011年)、osa joseph fraunhofer award (2010年)、spie g. g. stokes award (2008年)和 sid jan rajchman award (2008年)。他的研究小组专注于增强现实(ar)和虚拟现实 (vr)，包括光学引擎(lcos、mini-led、micro-led 和 oled)、光学系统(光导、衍射光学和投影光学)和显示材料(液晶、量子点和钙钛矿)。
目前，吴教授课题组内共有九名博士生，一名硕士生，一名本科生和两名访问学者。吴教授的学生获得了很多奖项和奖学金。例如，2020年，湛涛(现就职于apple)获得了 ilcs-frl白金奖。2021年，熊江浩(现任教于北理工)和尹坤(现就职于亚马逊)分别获得ilcs-frl钻石奖和白金奖。2022年，李闫南琦获得ilcs-frl金奖，向恩霖获得了spie光学与光子学教育奖学金。2023 年，彭枫琳(现就职于 meta reality labs)获得 spie 早期职业成就奖。课题组yabo亚博88主页：
阅读原文
qian yz, yang zy, huang yh, lin kh, wu st. . opto-electron sci 1, 220021 (2022).
doi:
