有源矩阵micro-PeLED微显示器呈现的图像。
■本报记者 崔雪芹 通讯员 查蒙
“降尺度”在电子科学中特指缩小基本器件尺寸的过程，引领着计算机科学、信息显示和人机交互等领域的技术革命。科学家一直渴望造出更加微小的器件。
近日，浙江大学教授狄大卫和研究员赵保丹团队研发的微米钙钛矿发光二极管（micro-PeLED）和纳米钙钛矿发光二极管（nano-PeLED）达到了传统发光二极管（LED）难以触及的90纳米尺寸新极限。同时，降尺度过程仅造成微弱的性能损耗。相关研究成果发表于《自然》。
“微型化”的追求
根据信息技术的发展规律，集成电路上可容纳的晶体管数量大约每两年翻一番，性能也会相应提升。这使电子设备运行速度越来越快、制造成本越来越低。
从诞生初期需要若干房间安置的计算机到如今集诸多应用功能于一体的小巧手机，从第一个红光LED到如今色域宽广、色彩丰富的各式屏幕以及增强现实（AR）和虚拟现实（VR）眼镜……器件的“微型化”成为科学家不断追求的目标。
“目前世界最先进的显示技术是基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的micro-LED，被认为是显示器的‘终极技术’。”论文通讯作者狄大卫介绍，micro-LED就是一种降尺度的LED，通过缩小LED的尺寸，可实现超高清、超高精度的光电显示。
受限于复杂的工艺技术，micro-LED的制造成本极高。更为重要的是，当像素尺寸减小到约10微米或更小时，micro-LED的效率会急剧下降。而这正是超高分辨率的高端AR/VR应用所需要的像素尺寸。此外，昂贵的价格与较低的发光效率限制了其大规模商业应用。
钙钛矿LED是一种可应用于显示、照明和通信等领域的新型光源，在色彩纯度、色域宽度上有极大的优势。几年前，从Ⅲ-Ⅴ族半导体micro-LED的微型化研究中得到启发，狄大卫团队开始研制用于未来显示技术的更小的钙钛矿LED。
初步尝试后，团队于2021年首次提出micro-PeLED的概念，后续获得了国家与国际专利。
“雕刻”更小的钙钛矿LED
“钙钛矿LED微型化不能沿用micro-LED的技术。而且，传统的光刻工艺会破坏钙钛矿材料。”狄大卫说，制造微型钙钛矿LED最简单的方法是对其顶部和底部的电极接触进行图案化处理，用电极重叠的区域定义发光像素区域。但是这种方法会使像素边界处的钙钛矿材料暴露在电极边缘，容易产生非辐射能量损耗，降低LED效率。
“我们设计了一套局域接触工艺，能够在附加绝缘层中引入由光刻制作的图案化窗口，以确保像素区域远离电极边缘。”论文第一作者、浙江大学博士研究生连亚霄介绍。
这一工艺有效保证了LED的发光效率，使团队能够制造像素尺寸从数百微米到90纳米的钙钛矿LED。论文通讯作者赵保丹说：“对于绿色和近红外钙钛矿LED而言，当像素尺寸在数百微米到3.5微米范围时，外量子效率均保持在20%左右。”
研究团队开发的micro-PeLED和nano-PeLED相较基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的micro-LED具有优势，大约在180纳米的极小尺寸才开始显现降尺寸效应，此时的效率降低至最高值的50%。而传统micro-LED在尺寸低于10微米时效率就已经显著下降。
狄大卫说：“论文中所展示的nano-PeLED最小可达90纳米，是迄今报道过的最小LED像素。”基于此，团队创建的具有12.7万PPI超高分辨率的LED像素阵列也创下所有类型LED阵列的最高分辨率纪录。
向“极致”突破
“探索极限、做领域中最难且正确的事就是我们所有人的目标，它凝聚起整个团队的力量。”狄大卫表示，在学生培养方面，团队有自己的哲学，即以解决真正的困难问题为导向形成个人的内驱力。
谈到论文的技术性，审稿人感叹“论文背后巨大的工作量”。赵保丹说，“这篇论文集合了所有主要作者所掌握的关键技术，每个人都贡献了自己的智慧和努力。”
探索LED降尺寸性能的极限源于团队的好奇心，但要进一步激发生产力，还需要让实验室的发现、发明走向实际应用。
实用的显示器件，需要由可编程电路驱动LED阵列传达有用信息，这需要产业界的合作。为此，团队与杭州领挚科技携手制作了由TFT背板驱动的有源矩阵micro-PeLED微显示器原型，能够呈现复杂的图像和视频，目前正在积极推动技术应用。
“我们很高兴看到micro-PeLED和nano-PeLED作为下一代光源技术在AR/VR显示以及其他领域的应用潜力。”狄大卫说。
相关论文信息：
10.1038/s41586-025-08685-w
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