虹科分享 | 量子點 LED：未來的白光光源

發(fā)光二極管（LED）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件。LED通常由兩部分組成，空穴占主導(dǎo)地位的P型半導(dǎo)體+電子占主導(dǎo)地位的N型半導(dǎo)體，二者界面之間形成P-N結(jié)。當電流通過導(dǎo)線作用于二極管時，電子向P區(qū)移動并在P-N結(jié)處跟空穴復(fù)合，并以光子的形式發(fā)出能量。

圖1 發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及工作原理

QDLED

量子點LED（QDLED）是基于高效發(fā)光無機納米晶體制成的具有新型結(jié)構(gòu)的量子點有機發(fā)光器件。相對于傳統(tǒng)的有機熒光粉，量子點具有發(fā)光波長可調(diào)（可覆蓋可見和近紅外波段）、熒光量子效率高（可大于90%）、顆粒尺寸小、色彩飽和度高、可低價溶液加工、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

圖2 量子點材料的發(fā)光波長范圍

QDLED已是顯示技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先者，三星、TCL、LG、京東方等各大顯示屏公司提供基于QDLED的商業(yè)電視顯示屏。在顯示器領(lǐng)域，microLED、OLED和QDLED之間的競爭非常激烈。在照明方面，雖然目前基于照明的商用QDLED較少，但QDLED仍會在該領(lǐng)域取得長足進步。

量子點優(yōu)勢

大多數(shù)商業(yè) LED 使用藍色 LED 背光和熒光粉涂層進行工作。藍色LED上的熒光粉涂層在深藍色或紫外線輻射激發(fā)時發(fā)出可見光，實現(xiàn)能量下轉(zhuǎn)換（藍光轉(zhuǎn)換為能量較低的紅光或綠光）。通過調(diào)整給定熒光粉的比例和特性，可以調(diào)整輸出光的波段位置。但能量下轉(zhuǎn)換過程效率較低，從藍色轉(zhuǎn)換為紅色時，熒光粉會浪費一部分能量。

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光譜可調(diào)

與傳統(tǒng)的基于熒光粉的LED相比，量子點具有最重要的優(yōu)勢——提供寬光譜的可調(diào)性。通過改變粒徑，可以使用量子點技術(shù)輕松改變顏色或峰值波長，這是量子點獨特的優(yōu)點。

圖3 不同尺寸量子點的結(jié)構(gòu)和發(fā)光顏色

在制造方面，只需要增加量子點的額外生長時間就能夠改變量子點尺寸。例如，2nm的CdSe量子點將以紅色發(fā)射，但在稍長的生長時間后，5nm的CdSe 量子點將以綠色發(fā)射。與熒光粉相比，這是一個很大的優(yōu)勢，因為熒光粉的發(fā)射和穩(wěn)定性完全取決于材料類型，光譜的靈活性十分有限。

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量子效率高

此外，量子點在效率方面也具有優(yōu)勢，特別是在紅光區(qū)域。通常，當使用基于熒光粉的LED發(fā)射紅光時，由于無法控制熒光粉輸出發(fā)射光譜的帶寬，不可避免地會發(fā)射一部分紅外光，造成能量浪費。對于QDLED，較窄的發(fā)射光譜意味著可以獲得單色性好、純凈度高的紅光，從而在基于照明的應(yīng)用中提供更高的效率。

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顯色度高

QDLED還為具有高顯色指數(shù)（CRI）值的LED提供了一條捷徑。最近，劍橋大學(xué)團隊研究了基于QD-LED的智能照明，它可以由用戶控制，并允許照明根據(jù)情緒和環(huán)境進行調(diào)節(jié)。他們創(chuàng)建了一個將QD-LED與系統(tǒng)級顏色控制和顏色優(yōu)化算法相結(jié)合的設(shè)備。通過使用多層不同大小的量子點，改變顏色并準確地模仿白光。

圖4 高CRI的QD-LED

市場的競爭

QD為下一代照明應(yīng)用提供高顯色性和非常節(jié)能的LED組件，但是商用QD-LED的開發(fā)面臨著重大挑戰(zhàn)。

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制造成本

QLED 器件的制作成本大致可分為原材料的成本和處理這些材料的制造成本。由于目前QLED 都采用類似的工具箱薄膜處理技術(shù)，例如噴墨和微接觸印刷，熱蒸發(fā)定量和濺射等，雖然QLED 在結(jié)構(gòu)和制作技術(shù)上比OLED 減少了很多成本，但是高要求的制備環(huán)境使其與商業(yè)化仍有一段距離。

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使用壽命

QD直接位于LED和硅的頂部，在這種條件下很容易發(fā)生降解。在芯片上，QD暴露在高溫下（有時>100°C），暴露在潮濕和潮濕的大氣中，并且需要高通量的光進入QD。這些通過其表面的過程直接地導(dǎo)致QD的退化。
在應(yīng)用的過程中，量子點的團聚也是影響量子點發(fā)光的重要原因。由于量子點發(fā)光的原理是量子限域效應(yīng)，僅在量子點體積較小的時候，才能夠保持穩(wěn)定的發(fā)光特性。當量子點團聚的時候，會改變量子點的尺寸，從而使量子點猝滅失效。
目前QD-LED 器件在最低視頻亮度（100 cd/m2）上的壽命僅為100-1000 個小時，遠遠小于顯示器需要的壽命（大于10000 小時）。造成器件壽命短的因素可能有很多，作為QLED 電荷傳輸層的有機物的某些固有不穩(wěn)定性質(zhì)可能是其器件壽命短的一個原因。

量子點是一種替代方法，通過QD尺寸直接控制顏色，可以提高器件的整體性能，為該行業(yè)提供了另一種追求這種定制照明的途徑。但是，對電光轉(zhuǎn)換效率的限制仍然是實現(xiàn)這一目標的障礙。QDLED技術(shù)正處于革命的邊緣，在不久的將來，一定會出現(xiàn)發(fā)光發(fā)熱的爆發(fā)點。