日本大阪大学与立命馆大学联合团队成功开发出一种新型单层Micro-LED结构，在室温工作条件下，仅靠一个发光区域即可稳定输出蓝、绿、黄、红四种可见光谱颜色。该成果发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters），突破了传统Micro-LED需分别集成红、绿、蓝三颗芯片或三层发光结构的技术瓶颈，为高密度微显示器件的微型化与集成化提供了新路径。
当前主流Micro-LED全彩显示方案依赖红、绿、蓝三组独立芯片拼接或堆叠，不仅制造工艺复杂，且像素间距受限于芯片键合精度与热膨胀失配问题。尤其在红光氮化物LED中，InGaN材料因铟含量高导致相分离与效率骤降（即‘绿隙’延伸至红光波段），而GaAs基红光LED又难以与蓝绿氮化物工艺兼容。本研究绕开多材料异质集成难题，采用统一氮化物体系——在AlGaN半导体基质中掺入铽离子（Tb³⁺），利用其4f电子跃迁特性，在同一晶格位置激发不同波长荧光：蓝光（488 nm）、绿光（542 nm）、黄光（585 nm）和红光（620 nm）均源自同一发光层，无需分层外延或芯片混装。
团队沿用业界成熟的氮化物LED金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺，在氮化铝（AlN）衬底上生长AlGaN:Tb外延层。AlN衬底与AlGaN晶格匹配度高（失配率＜1%），显著抑制位错密度，使材料缺陷密度降至10⁸ cm⁻²量级以下。实验表明，随铝组分升高，载流子从AlGaN导带向Tb³⁺能级的能量传递效率提升，外量子效率（EQE）最高达10.3倍增长（对比最低铝含量样品）。更重要的是，在0.1–20 mA驱动电流范围内，四色发射峰位偏移均未超出测量仪器分辨率（0.6 nm），证实其电流无关的光学稳定性——这对需要灰度控制的AR眼镜微显示至关重要。
四色同源发光的工艺与性能边界
该技术并非简单掺杂优化，而是重构了发光机制：Tb³⁺作为发光中心，其5d→4f跃迁产生蓝光，而4f→4f跃迁主导绿/黄/红光输出。不同颜色强度可通过调节注入电流密度与脉冲占空比独立调控，但目前尚无法实现各色独立开关——四色始终共存，需依赖彩色滤光片阵列（CF）进行空间分色。研究团队已验证CF可有效分离出标准sRGB红、绿、蓝三原色，色域覆盖率达NTSC 112%，但黄光通道暂未用于显示，可能用于增强白光光源显色指数（CRI＞95）。
该器件尚未解决Tb³⁺浓度淬灭问题：当掺杂浓度超过1.2×10²⁰ cm⁻³时，绿光强度反而下降；红光成分（620 nm）的内量子效率仍低于蓝绿光约40%，主因是Tb³⁺在长波段辐射跃迁概率较低。当前原型器件的红光亮度仅为蓝光的1/3，需后续通过局域晶格工程（如引入La³⁺共掺）提升红光子提取效率。
对Micro-LED产业链的实际影响
该技术直接冲击Micro-LED巨量转移（Mass Transfer）环节。目前行业普遍采用Pick-and-Place或激光剥离转印方式将数百万颗红、绿、蓝芯片逐颗定位至背板，良率瓶颈集中在红光芯片键合精度与热应力开裂。若单层四色方案成熟，可将转移工序减少2/3，设备投资与产线洁净度要求大幅降低。对中国Micro-LED代工厂而言，这意味着无需额外引进GaAs红光外延线或InP红光晶圆厂，仅需升级现有AlGaN MOCVD腔室的掺杂控制系统与后道CF制程。
但需警惕技术适配门槛：AlN衬底成本约为蓝宝石的5倍，且需匹配更高温度（1200℃以上）的MOCVD工艺；Tb元素属中重稀土，全球供应集中于中国（占产量85%），但高纯度（5N级）TbCl₃前驱体仍主要由德国BASF与日本信越化学提供。国内LED材料厂商若计划跟进，需优先打通Tb源材料提纯与AlN衬底国产化两条链路，而非仅聚焦外延生长。
中国采购与选型的关键关注点
该成果现阶段属于实验室原理验证，未披露寿命数据（T70）、驱动电压（典型值应＞8 V）及芯片尺寸（预估＜5 μm），暂不适用于量产Micro-LED显示屏。但对AR光波导模组厂商具有明确参考价值：当前LCoS与DLP方案受限于硅基驱动IC散热，而Micro-LED需解决红光效率短板。若该Tb:AlGaN技术在2–3年内实现红光EQE＞5%（当前文献值约2.1%），将显著缩短单片式全彩Micro-LED光引擎的商用周期。建议国内光学模组企业关注其后续在0.5英寸以下微显示屏上的流片进展，重点评估CF制程兼容性（是否适配2.5D光刻）与驱动IC匹配逻辑（是否支持PWM灰阶独立调制）。
日本在Micro-LED领域采取“材料先行”策略，依托JST（科学技术振兴机构）长期资助氮化物宽禁带半导体基础研究。相较韩国侧重巨量转移设备与面板整合、中国聚焦巨量转移良率提升，该路线凸显了底层材料创新对系统级瓶颈的破局潜力。对中国Micro-LED上游材料企业而言，与其追赶已趋饱和的蓝光芯片产能，不如借力国内稀土分离优势，布局铽基氮化物发光材料的定向合成与掺杂工艺专利池。