LED迈入纳米时代，效率瓶颈成最小光源“拦路虎”？
微型发光二极管（MicroLED）凭借其仅数微米大小的像素，长期以来一直是显示领域的代名词。如今，MicroLED制造商已开始将其产品缩小至前所未有的纳米尺度。今年1月，一家名为Polar Light Technologies的初创公司展示了尺寸小于500纳米的蓝色LED原型。这不禁让人想问：LED究竟能缩小到什么程度？
没人可以知道具体的答案，但至少可以肯定的说还能“远小于此”。在过去一年中，两个不同的研究团队已经演示了尺寸在100纳米或更小的LED像素。它们是有史以来最小的LED之一。尽管它们在效率上还有很大的提升空间，但有朝一日，纳米LED（nanoLED）有望为超高分辨率的虚拟现实显示器和高带宽片上光子学器件提供动力。如果这些早期尝试具有参考价值，那么制造更微小LED的关键，或许在于制造“非传统”的LED。
探索LED新路径
以Polar Light公司为例。与许多LED一样，这家瑞典初创公司的二极管由氮化镓（GaN）、氮化铟镓（InGaN）等III-V族半导体材料制成。不同于多数LED采用自上而下刻蚀半导体的工艺，Polar Light的LED则通过自下而上的方式，构建出形状奇特的六角锥体结构。
Polar Light专门为更大的MicroLED市场设计了这种锥体结构，并计划在2026年底启动商业化生产。但他们也想测试这种锥体能缩小到何种程度。目前，他们已经制造出横向尺寸为300纳米的锥体。“我们还没有触及极限，”Polar Light公司首席执行官Oskar Fajerson表示，“我们是否知道极限在哪？不，我们不知道，但我们可以把它们做得更小。”
在其他地方，研究人员已经走得更远。世界上一些最小的LED来自那些放弃标准III-V族半导体、转而采用其他类型LED（如OLED）的研究团队。“我们正在为有机半导体寻找一条不同的路径，”苏黎世联邦理工学院的化学工程师德志仁（Chih-Jen Shih）表示。他和同事们致力于寻找一种可规模化工制造微小OLED的方法。利用基于电子束光刻的技术，他们制造出了像素小至100纳米的绿色OLED阵列。如今最好的显示器每英寸像素数可达14000，而这些发表在2025年10月《自然·光子学》期刊上的纳米LED，其每英寸像素数可以达到10万。
另一个研究小组则尝试使用钙钛矿材料，这种笼状结构材料以其在高效太阳能电池领域的卓越表现而闻名。最近，钙钛矿在LED领域也备受关注。“我们想看看，如果将钙钛矿LED的尺寸一路缩小到微米和纳米尺度，会发生什么，”浙江大学教授狄大卫表示。
狄大卫的团队从尺寸相对较大、达数百微米的钙钛矿LED像素开始研究。随后，他们制造了一系列尺寸递减的像素。即使跨过1微米的门槛，他们也没有停止：890纳米，440纳米，最终达到了90纳米。这些发表在2025年3月《自然》期刊上的90纳米红色和绿色像素，很可能代表了迄今为止报道的最小LED。
效率挑战：越小越难
遗憾的是，小尺寸是有代价的：缩小LED的同时也降低了它们的效率。狄大卫团队的钙钛矿纳米LED的外量子效率（衡量注入电子转化为光子的比例）约为5%至10%；史志仁团队的纳米OLED阵列表现稍好，最高超过13%。作为对比，一个典型的毫米级III-V族LED，根据颜色的不同，效率可以达到50%至70%。
不过，史志仁对此持乐观态度，他认为通过改进纳米OLED的制造工艺可以提高其效率。“原则上，即使使用更小的像素，OLED也能实现30%、40%的外量子效率，但这需要时间来优化流程，”史志仁说道。
狄大卫认为，研究人员可以通过调整材料配方，将钙钛矿纳米LED的效率提升到不那么糟糕的水平。尽管他的团队目前专注于更大的钙钛矿MicroLED，但他预计研究人员最终将着手解决纳米LED的效率差距问题。如果微小LED的应用变得有吸引力，“这个问题将变得日益重要，”狄大卫表示。
纳米LED能用来做什么？
如此微小的LED究竟能做什么？目前，推动像素微型化的主要动力来自智能眼镜和虚拟现实头显等设备。这些显示设备的制造商渴望越来越小的像素，以追求兼具低功耗的尖端画质（这也是效率至关重要的原因之一）。Polar Light公司的Fajerson表示，如今的智能眼镜制造商已经在寻求3微米的像素。
但研究人员对于VR显示器是否需要小于约1微米的像素持怀疑态度。如果像素缩得太小，就会突破光的衍射极限——这意味着它们将变得太小，以至于人眼无法分辨。史志仁和狄大卫团队的100纳米和90纳米像素早已跨过了这一极限。
因此，极小的纳米LED或许更适合用于片上光子学系统，使人工智能数据中心等能够实现比目前更高带宽的通信。芯片制造巨头台积电已经在尝试MicroLED互连技术，不难想象未来芯片制造商将转向更小的LED。
然而，最小的纳米LED可能拥有更为奇特的应用，因为它们比自身发出的光波长还要小。“从工艺角度来看，你正在制造一种过去无法实现的新型元件，”史志仁说。例如，史志仁的团队证明了他们的纳米OLED可以形成一种超表面——利用其像素的纳米尺寸来控制每个像素与邻近像素相互作用的微观结构。
有朝一日，类似的器件可以将纳米LED的光聚焦成类似激光的光束，或者创造出全息3D纳米LED显示器。
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