像素缩到 4 微米，五分之一的电流为什么走去了侧壁

4 微米像素对应 6350 PPI，一块 1080p 的光机只有 7.7 毫米宽，这是 AI 眼镜把显示塞进镜框的前提。发光效率不跟着这个尺寸走：复合电流本该从有源区的上下两个面走，侧壁却是非辐射复合的中心，像素越小，周长占的面积比越高。50 微米的像素侧壁只分走 2% 的电流，4 微米时是 20%，同样的亮度要多给四分之一的电流。

周长比面积缩得慢

正方形像素缩小时，面积按边长的平方掉，周长只按边长掉。边长从 50 微米缩到 4 微米，面积缩到 1/156，周长只缩到 1/12.5。单位面积对应的周长，也就是周长面积比，从 0.08 每微米涨到 1.0 每微米，正好 12.5 倍。

这个比值是所有表面效应的放大器。发光二极管的有源区是一个薄层，厚度在纳米量级，电流从上下两个电极面注入，侧面是刻蚀出来的边界。边界上的悬挂键和刻蚀损伤形成深能级，载流子走到那里就被俘获，能量变成热而不是光。

大面积器件的侧壁周长占比可以忽略，电流几乎全部在有源区体内复合发光。小面积器件的侧壁面积占比上升，同样的电流密度下，越来越多的载流子有机会扩散到侧壁。

侧壁是复合中心

载流子从注入点到侧壁要扩散一段距离，这个距离是双极扩散长度，蓝光 InGaN 量子阱里在亚微米量级，取 0.25 微米。像素的边长如果是 d，侧壁到中心的最大距离是 d/2，只要 d/2 和扩散长度可比，侧壁就能抓到相当比例的载流子。

把侧壁复合电流写成周长乘扩散长度乘一个复合速度，体内复合电流写成面积乘一个等效厚度，两者相除，侧壁占比可以化简成一个只跟几何有关的式子

I_side / I_total = 4 × L_s / (d + 4 × L_s)

式中 L_s 是等效侧壁俘获宽度，取 0.25 微米。d = 50 微米代进去是 2.0%，d = 4 微米代进去是 20.0%。这个式子里没有材料参数以外的自由量，也就是说，尺寸效应不是工艺没做好，是几何决定的。

红光的问题是另一个量级。AlGaInP 材料的载流子扩散长度比 InGaN 长得多，同样的侧壁宽度能抓到的比例更高，这也是红光 micro-LED 的内量子效率长期低于蓝光的原因。全彩方案里三色的效率曲线不重合，白平衡的电流配比要按最弱的那一色定。

图 1　像素边长与侧壁复合电流占比的关系（依据原文第 2 节侧壁复合模型自行计算）

五分之一电流白走

20% 的电流不发光，直接后果是亮度。同样的电流密度下，4 微米像素单位面积的光输出只有 50 微米像素的 80%，要补回同样的亮度，电流密度得加 25%。这 25% 的电流全部变成热，落在只有几微米见方的体积里。

小像素带来的第二笔账在驱动上。同样 10 安每平方厘米的电流密度，4 微米像素的面积是 16 平方微米，单点电流 1.6 微安；50 微米像素的面积是 2500 平方微米，单点电流 250 微安，两者差 156 倍。灰度要做 8 位，1.6 微安分成 256 级，最小可分辨的电流是 6 纳安，这个量级已经和驱动管的漏电流同一档。低灰阶的色偏，多半是这一步丢的。

热的去处很窄。micro-LED 的衬底被减薄到几微米，热量主要靠下方的键合层往驱动基板传，横向扩散几乎没有。同样 25% 的额外热流，在 50 微米像素上是均匀铺开，在 4 微米像素上集中在一个点上，局部温升按热流密度算要高出好几倍。

效率随温度还会再掉一点。InGaN 量子阱的发光效率在结温升到 80 摄氏度以上开始下滑，非辐射复合的比例随温度按指数涨。侧壁多出来的这部分热，正好加热了侧壁本身，形成一个局部的正反馈。这个反馈在实验室的脉冲测试里看不出来，在连续点亮的眼镜上会慢慢显形。

图 2　三种像素尺寸下侧壁电流与体复合电流的分配（依据原文第 3 节尺寸效应数据自行绘制）

全彩要乘三次

单色已经把账算到 20%，全彩要把这个账乘三遍。红绿蓝三色各有自己的像素，各自付一次侧壁的代价，而三色的电流还要按白平衡配比叠加。红光因为扩散长度长，占比更高，在同样亮度下需要的电流倍数也更大。

堆叠方案让这件事更复杂。三层堆叠把红绿蓝做在同一列像素上，中间用键合层隔开，每一层的有源区厚度只有几百纳米，侧壁暴露的面积按层数翻倍。省下来的是面积，付出去的是三次侧壁复合和两次键合界面的光损失。

并排方案保住了单层的效率，代价是像素面积变成三倍。同样 1080p，并排方案的光机宽度从 7.7 毫米涨到 13 毫米，镜腿塞不进去。这是 AI 眼镜在显示上真正卡住的地方：不是做不出 4 微米，是做不出 4 微米的全彩。

光提取也在同一侧壁上

侧壁不只影响电光转换，还影响光能不能出来。GaN 的折射率是 2.4，和空气的界面全反射临界角只有 24 度，有源区发出的光大部分被困在晶体里，走不到人眼。

把侧壁做成斜面，让光在斜面上反射时改变入射角，可以多送一部分光出射。有研究用 28 度的倾斜侧壁配周期 220 纳米的光子晶体，把薄膜倒装结构的 micro-LED 光提取效率做到 36.47%，比常规平面结构高一截。斜面的角度不是随便取的。光在斜面上反射一次，方向偏转两倍的倾角，28 度对应 56 度，刚好把原本卡在全反射里的那部分光推进 24 度的出射锥。再陡，光会被反射回有源区重新吸收。

斜面侧壁同时增加了侧壁面积。周长按斜面的实际长度算，比垂直侧壁长 13%，侧壁复合的占比跟着往上走一点。光提取和电光转换在同一个几何上打架，这是 micro-LED 尺寸效应最难绕开的地方。

4 微米不是路线图终点

行业把像素尺寸当作路线图指标，4 微米之后还有 2 微米、1 微米。按上面那个式子算，d = 2 微米时侧壁占比 33%，d = 1 微米时 50%。到那个尺寸，一半的电流拿去发热，效率的优势被自己吃掉。

真实可用的路径有两条。一条是把侧壁的复合速度压下去，用更好的钝化工艺把悬挂键填掉，让等效俘获宽度从 0.25 微米降到 0.1 微米，4 微米像素的占比就从 20% 回到 9%。另一条是不缩像素，改用光学手段把画面放大，接受光机体积大一点，把效率留给电池。

AI 眼镜的功耗预算是 300 毫安时电池撑一天，显示占其中三到四成。像素尺寸每缩一半，侧壁多拿走的电流就多一成，省下来的是体积，付出去的是续航。这个交换在眼镜上划不划算，取决于用户更在意镜腿粗细还是充电次数。

一句话，4 微米买到的不是更高的效率，是更小的面积；侧壁按周长收税，像素越小，税率越高。

内容来源：Processes（MDPI 开放获取），2022 年第 10 卷第 3 期，文章号 489；Electronics（MDPI 开放获取），2024 年第 13 卷第 18 期，文章号 3750

原文标题：Study of the Factors Limiting the Efficiency of Vertical-Type Nitride- and AlInGaP-Based Quantum-Well Micro-LEDs；Improving the Light Extraction Efficiency of GaN-Based Thin-Film Flip-Chip Micro-LEDs through Inclined Sidewall and Photonic Crystals

作者：Cheng-Han Ho, Shih-Min Chen, Yuh-Renn Wu；Meng Liu, Xuan Zheng

DOI：10.3390/pr10030489；10.3390/electronics13183750

配图说明：两张图均由本文自行绘制，为原理示意，非原文原图复制

改动声明：本文为对开放获取文献的技术编译与解读，标题、行文与配图为原创

来源：21ic电子网