新的黑科技？纳米LED技术解析

　　LED是我们在日常生活中广泛接触到的电子产品，从灯具到显示器，从手机到手电筒，LED具备的高亮度、长寿命以及节能的特性，为其带来了大量的用户，并占领了大片市场。不过，技术的发展总是无止境的，LED目前面临着OLED的竞争，自身也在寻求着改变。现在有一种新的技术，它不但可以大幅度提升LED的寿命、亮度和能耗比，还有希望挑战OLED，实现更高能效的显示。这就是下面要介绍的纳米LED。

　　LED是我们在日常生活中广泛接触到的电子产品，从灯具到显示器，从手机到手电筒，LED具备的高亮度、长寿命以及节能的特性，为其带来了大量的用户，并占领了大片市场。不过，技术的发展总是无止境的，LED目前面临着O LED的竞争，自身也在寻求着改变。现在有一种新的技术，它不但可以大幅度提升LED的寿命、亮度和能耗比，还有希望挑战O LED，实现更高能效的显示。这就是下面要介绍的纳米LED。

　　通过上文的解释，我们大概明白了LED的结构和发光表现，以及如何制造出白光LED产品。下面，我们一起来看看什么是纳米LED。

　　什么是纳米LED

　　众所周知，目前的LED产品体积相对来说都是肉眼可见级别的，无论是普通的发光二极管还是LED灯带，其中的LED发光体尺寸大约在毫米级别，是可以用眼睛看到的。不过，如果将毫米级别的LED发光体缩小到纳米级别，并使用半导体工艺制造的话，是否就会成为一种全新的产品呢？没错，这就是nanowire LED，也就是纳米LED（也被称为nLED）的雏形。

　　根据一些研发机构的定义，纳米LED是这样一种产品—它通过先进的半导体制造工艺，将原本肉眼可见尺寸级别的LED，以柱状形式集成在一块单独的芯片上。每个柱状的LED柱都拥有PN结结构，能够独立发光，微观上看起来是一个微缩了无数倍的LED。从尺寸角度来看，普通的LED产品尺寸在毫米级别，而纳米LED的尺寸在几十纳米到几微米级别，一个毫米级别的空间内能够继承数万根这样的LED柱状体。那么问题就来了，为什么要制作纳米LED呢？它的优势在哪里呢？

　　更高效率的发光体

　　在介绍了纳米LED的基本情况后，我们来看看纳米LED在性能方面具备怎样的优势。如果用最直观的数据来举例的话，纳米LED的亮度最高可以达到目前O LED的10倍，并且功耗只有OLED的1/4左右。

　　再来看一些具体的数据，纳米LED的最高亮度大约可达2万尼特每像素、最高像素密度至少不低于2000ppi，功耗只有LCD的1/5或者OLED的1/4，色域范围可以覆盖大于150% NTSC色域，由于其自发光的特性，对比度可以做到理论上的无限大。寿命方面则高达10万小时以上，完全可以用于任何显示设备。用于显示设备的话，目前的LCD显示器大约只有3%~4%的电能转化为光能，发光效率大约在3~4l m/W。手机上应用的OLED表现更好一些，约有超过50%的电能转化为光能，发光效率大约在4~5l m/W。相比之下，纳米LED可以将80%的电能转化为光能，发光效率高达12~16lm/W。

　　如何应用纳米LED

　　在今年央视春节联欢晚会上，大家应该看到了LED屏幕应用后为舞台带来的变化，那种动态的、流光溢彩的舞台效果是传统任何舞台都无法媲美的。实际上目前的LED屏幕，是采用大量的RGB三原色LED发光二极管点阵组成的。也就是说，使用RGB三原色的LED发光二极管，就能够搭建显示屏幕，实现画面动态呈现。不过，由于发光二极管体积较大，只有在距离较远的情况下才不会呈现粗糙的颗粒感和像素感。

　　你可能会问了，正在介绍纳米LED，为什么突然提起春晚呢？聪明的读者肯定已经想到了，根据上文叙述的原理，如果纳米LED在一个晶片上是由很多的柱状LED构成的话，那么实现单片白光LED就基本上没有什么难度了。简而言之，人们可以在一个晶片上，通过调整不同区域的LED柱体的成分配比，实现单片RG B三色LED均匀存在，只要在亮度上做出适当调配后，单片白色LED就将成为可能。不仅如此，这样的LED也可以通过电路控制，不断改变色彩，发出红、绿、蓝三种颜色中的一种，最终成为显示器基本元素。

　　就目前来看，对于纳米LED的应用，工程人员主要有如下的想法：

　　高亮度单片白光LED产品

　　目前的白光LED产品都是通过二次激发获得的，需要单色LED产品并搭配相应的荧光粉。激发过程是一个耗能过程，多余的能量通过热量散发，因此整体效率不够高。除此之外，荧光粉还存在寿命衰减、色温衰减等问题。但是如果使用RGB三基色组合而成白光纳米LED的话，就不存在荧光粉的问题。无论是温度控制、寿命衰减都能得到很好的解决，整体效能也将会大大提升。

　　以纳米LED制造显示器

　　目前的显示器虽然宣称是LED背光，但是也仅仅是背光而已。一般来说，LED背光需要使用白光作为光源，再经过滤波片分解成RGB不同的色彩，还需要由液晶颗粒开关控制不同色彩通道的亮度，最终呈现出千变万化的色彩。实际上在这个过程中，LED的单色光源经过激发转化为白光，白光再分光为单色光，再经过液晶颗粒，实际光照效率甚至会缩减至10%以内。除此之外，LED背光是常亮的，黑色需要关闭液晶颗粒来实现，在对比度表现比较糟糕。

　　鉴于LED背光显示器的问题，厂商目前正在考虑全面转向自发光的OLED。相比LED，OLED由于自发光，R G B色彩都可以实现，因此不存在激发、分光和后期经过液晶颗粒时的衰减问题。这一点和纳米LED基本相同。随着技术进一步发展，纳米LED也能够实现在单片颗粒上显示、控制RGB三原色的亮度，因此整体使用和显示效果不但能够匹敌OLED，甚至在发光效率、像素体积方面还有所超越。目前OLED由于红、绿、蓝衰减问题，厂商不得不多布置绿色颗粒，实现全寿命下的白平衡基本稳定。根据前文数据，纳米LED的发光效率几乎可以达到OLED的两到三倍。在这一点上，纳米LED就好很多。因为纳米LED的发光原理和O LED不同，在寿命表现上会有一定优势。

　　在VR领域的应用

　　目前V R设备在高速发展中，不过在显示方面还有很多问题没有解决。其核心问题是V R内置的显示屏幕显示精细度不高。现有绝大部分V R设备的显示器都沿用现有液晶显示屏或者O LED屏，这两者在像素颗粒小型化方面存在一定的问题。液晶颗粒在现有的中远距离应用中是足够的，但是在V R这种超近距离并且放大像素的设计中显然不够精细，OLED则由于本身原理问题，想进一步缩小存在困难，因此我们看到的V R画面可能有严重的颗粒、存在栅格、亮度对比度不够高，严重影响了画面真实感。但是这些问题在纳米LED上可能得到很好的解决。

　　纳米LED的发光来自于微小尺寸的纳米柱体，在工艺满足要求的情况下，人们可以通过控制纳米LED发光簇来实现精细的显示。也就是说，纳米LED能够实现的最小像素颗粒比目前流行的O LED更为精细。且纳米LED本身的高亮度等特性也会带来更好的对比度、更好的图像效果。能耗比方面，由于纳米LED天生低功耗，因此应用在V R头盔等设备上，也会有非常出色的能耗表现，续航和发热等都会表现得更为出色。

　　纳米LED工艺待突破

　　从性能和应用来看，纳米LED几乎不存在什么弱点，是一个出色的显示产品。不过，纳米LED从概念提出到现在接近成功，已经在实验室中推进研发了十余年。但直到今天，纳米LED的终端产品仍未上市，问题究竟在哪里呢？答案很简单，那就是工艺。

　　纳米LED如果要产业化，就必须在目前的半导体工艺下实现量产，也就是实现纳米LED在硅基板和玻璃基板上的生产。根据几家研发纳米LED的厂商所提供的资料，纳米LED的工艺基本上可以完全兼容目前的半导体生产工艺，其改造和迁移并不复杂。不过考虑到纳米柱状发光体的特性和目前半导体生产工艺，其面临的问题也不小。主要就是如何稳定、均匀地控制基板上的纳米LED柱状体生成，并尽可能降低坏点和死点。另外，纳米LED控制部分的线路布置，也需要进一步研究。

　　目前纳米LED正处在产业化的前期，其展示出来的技术实力和性能优势颇为令人心动。不过保守估计来看的话，纳米LED大概还需要3~5年才会正式走入我们的生活。本刊也会在未来的文章中，和各位读者一起继续追踪纳米LED的技术发展步伐。

　　TIPS

　　小知识：LED和它的工作原理

　　LED的由来最早可追溯到1961年。当时美国德州仪器公司的Robert Biard与Gary Pittman发现砷化镓半导体的红外放射作用。1962年通用电气的尼克.何伦亚克开发出第一种可实际应用的可见光发光二极管，只能发出红光，用于指示灯等产品。在经过很长一段时间的摸索后，1993年，日本日亚化学工业的中村修二发明了基于宽能隙半导体材料氮化镓和氮化铟镓（InGaN），得到了发蓝光的LED产品并获得了诺贝尔奖。通过不断地调整半导体的成分，人们目前可以制造红、橙、黄、绿、蓝、紫等各种色彩的LED产品。

　　从工作原理来说，LED实际上是一种半导体二极管，由三价元素与五价元素所组成，PN结结构，具有单向导电性。当LED加入正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。荧光的波长和颜色与所使用的半导体物料种类和加入的杂质元素相关。

　　在光照方面，LED发出的光波长是固定的，因此无法发出混合的白光。要想LED发出白光，要么使用三原色，也就是红绿蓝三色LED进行组合而生成白光；要么使用二次激发的方法，通过激发荧光剂来获得白光。不过采用三原色的白光LED成本较高，激发法制造的白光LED发光效率比较低。目前我们使用的绝大部分LED照明产品的白光，都是采用二次激发的方法，发光效率和能耗比还有不小的提升空间。

　　文/张平