“降尺度(Downscaling)”在電子科學(xué)中特指縮小基本器件尺寸的過(guò)程，引領(lǐng)著計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息顯示和人機(jī)交互等領(lǐng)域的技術(shù)革命。對(duì)于實(shí)現(xiàn)更加微小的器件，科學(xué)家們一直保持著不懈的追求。

據(jù)浙江大學(xué)新聞網(wǎng)20日消息，近日，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/海寧國(guó)際聯(lián)合學(xué)院狄大衛(wèi)教授和趙保丹研究員團(tuán)隊(duì)研發(fā)的微米和納米鈣鈦礦LED（micro-PeLED和nano-PeLED）達(dá)到了傳統(tǒng)LED難以觸及的——90nm尺寸新極限，同時(shí)降尺度過(guò)程僅造成微弱的性能損耗。

相關(guān)研究成果以“Downscaling micro- and nano-perovskite LEDs”為題，于北京時(shí)間3月20日發(fā)表在《自然》上。論文第一作者為浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院博士生連亞霄、王亞馨、袁瑜才、任智翔，論文通訊作者為狄大衛(wèi)和趙保丹，浙江大學(xué)是唯一通訊單位。

“微縮”的藝術(shù)

根據(jù)信息技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡陼?huì)翻一番，性能也會(huì)相應(yīng)提升，帶來(lái)電子設(shè)備越來(lái)越快的運(yùn)行速度和不斷降低的制造成本。

從誕生初期需要若干房間安置的計(jì)算機(jī)到如今集聚眾多應(yīng)用功能的小巧手機(jī)，從第一顆紅光LED到如今色域?qū)拸V、色彩豐富的各式屏幕以及AR、VR眼鏡……器件的“微型化”已經(jīng)成為科學(xué)家們不斷追求的目標(biāo)。

在電子科學(xué)領(lǐng)域，不斷縮小基本器件尺寸的過(guò)程就是——降尺度。

“目前世界最先進(jìn)的顯示技術(shù)是基于III-V族半導(dǎo)體的micro-LED，被認(rèn)為是顯示器的‘終極技術(shù)’?！钡掖笮l(wèi)介紹，micro-LED就是一種“降尺度”的LED，通過(guò)縮小LED的尺寸，可實(shí)現(xiàn)超高清、超高精度的光電顯示。

課題組開(kāi)展科研實(shí)驗(yàn)

受限于復(fù)雜的工藝技術(shù)，micro-LED的制造成本極高。更為重要的是，當(dāng)像素尺寸減小到約10微米或更小時(shí)，micro-LED的效率會(huì)急劇下降。而這正是超高分辨率的高端AR/VR應(yīng)用所需要的像素尺寸，昂貴的價(jià)格與較低的發(fā)光效率限制了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的可能。

鈣鈦礦LED是一種可應(yīng)用于顯示、照明和通訊等領(lǐng)域的新型光源，在色彩純度、色域?qū)挾壬嫌袠O大的優(yōu)勢(shì)。幾年前，從三五族半導(dǎo)體micro-LED的微型化研究中得到啟發(fā)，狄大衛(wèi)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研制用于未來(lái)顯示技術(shù)的更小的鈣鈦礦LED。

初步嘗試后，團(tuán)隊(duì)于2021年首次提出了“微型鈣鈦礦LED（micro-PeLED）”的概念，后續(xù)獲得了國(guó)家與國(guó)際專(zhuān)利。

“雕刻”更小的鈣鈦礦LED

“對(duì)鈣鈦礦LED進(jìn)行微型化并不能沿用micro-LED技術(shù)。而且，傳統(tǒng)的光刻工藝會(huì)破壞鈣鈦礦材料。”狄大衛(wèi)說(shuō)，制造微型鈣鈦礦LED最簡(jiǎn)單的方法是對(duì)頂部和底部的電極接觸進(jìn)行圖案化，用電極重疊的區(qū)域定義發(fā)光像素區(qū)域，但是這種方法會(huì)使像素邊界處的鈣鈦礦材料暴露在電極邊緣，容易產(chǎn)生非輻射能量損耗，進(jìn)而使LED效率降低。

“我們?cè)O(shè)計(jì)了一套局域接觸工藝，其能夠在附加絕緣層中引入由光刻制作的圖案化窗口，以確保像素區(qū)域遠(yuǎn)離電極邊緣。”連亞霄介紹。

這一工藝有效保證了LED的發(fā)光效率，使團(tuán)隊(duì)能夠制造像素尺寸從數(shù)百微米到90納米的鈣鈦礦LED。趙保丹說(shuō)：“對(duì)于綠色和近紅外鈣鈦礦LED而言，當(dāng)像素尺寸在數(shù)百微米到3.5微米范圍時(shí)，外量子效率均保持在20%左右?！?

Micro/nano-PeLED與其他LED技術(shù)的比較。

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的micro和nano-PeLED相較于基于III-V族半導(dǎo)體的micro-LED具有優(yōu)勢(shì)，大約在180納米的極小尺寸才開(kāi)始顯現(xiàn)降尺寸效應(yīng)，此時(shí)的效率降低至最高值的50%。而傳統(tǒng)micro-LED在尺寸低于10微米時(shí)效率就已經(jīng)顯著下降。

狄大衛(wèi)說(shuō)：“論文中所展示的nano-PeLED最小可達(dá)到90納米，是迄今為止報(bào)道的最小LED像素?！被诖耍瑘F(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的具有127000 PPI超高分辨率的LED像素陣列也摘得所有類(lèi)型LED陣列最高分辨率的紀(jì)錄。

向“極致”突破

在學(xué)生培養(yǎng)方面，團(tuán)隊(duì)也有自己的哲學(xué)——以解決真正的困難問(wèn)題為導(dǎo)向形成個(gè)人的內(nèi)驅(qū)力。狄大衛(wèi)表示：“探索極限、做領(lǐng)域中最難而正確的事就是我們所有人的目標(biāo)，它凝聚起整個(gè)團(tuán)隊(duì)的力量?！?

談到論文的技術(shù)性，“審稿人感嘆于論文背后巨大的工作量”，趙保丹說(shuō)，“這篇論文集合了所有主要作者所掌握的關(guān)鍵技術(shù)，每個(gè)人都貢獻(xiàn)了自己的智慧和努力。”

探索LED降尺寸性能的極限本源于團(tuán)隊(duì)的好奇心，但要讓其進(jìn)一步激發(fā)生產(chǎn)力，還需要從實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)發(fā)明走向?qū)嶋H應(yīng)用。

有源矩陣micro-PeLED微顯示器呈現(xiàn)的圖像

實(shí)用的顯示器件，需要由可編程電路驅(qū)動(dòng)LED陣列來(lái)傳達(dá)有用的信息，這需要產(chǎn)業(yè)界的合作。為此，團(tuán)隊(duì)與杭州領(lǐng)摯科技攜手制作了由TFT背板驅(qū)動(dòng)的有源矩陣micro-PeLED微顯示器原型，能夠呈現(xiàn)復(fù)雜的圖像和視頻，目前正在積極推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用。

“我們很高興看到micro和nano-PeLED作為下一代光源技術(shù)在AR/VR顯示以及其他領(lǐng)域的重大潛力?！钡掖笮l(wèi)說(shuō)。