Micro-LED技术研究进展
2024/6/4 10:11:34 材料来源：ACT化合物半导体
作者：吴挺竹、刘苏阳、林岳、张荣、陈忠、郭浩中
引言
随着以AR/VR为代表的新型微显示技术蓬勃发展，具有超高色彩度与分辨率的微显示技术成为工业界和学术界的共同追求。而传统的显示技术主要适用于大尺寸、低分辨率的芯片制作，很难满足当前市场需求。相较而言，Micro-LED显示技术具有低成本、低功耗、高分辨率、高透光性、使用寿命长等优点，能更好地适用于微显示器件，在未来具有巨大的科研价值和广阔的应用前景。但是Micro-LED在实现全彩化方面仍存在许多难点，包括外延结构设计、芯片制备中的尺寸效应、全彩化问题、Micro-LED系统集成和可靠性研究等。研究团队利用半极性（20-21）晶圆制备了红绿蓝（RGB）全彩色Micro-LED，并在晶圆上添加了量子点光刻胶颜色转换层，实现RGB像素在电流密度变化下极小的色移，获得了更宽的色域。此外，研究团队采用原子层沉积和非辐射共振能量传递技术，极大地提高了全彩单片混合量子点纳米环Micro-LED的效率，论证了量子点-纳米环-Micro-LED（QD-NR-μLED）的颜色转换结构可以获得优异的光学性能和颜色特性。为了克服长波长InGaN/GaN LED有限的3-db带宽，研究团队通过改进外延生长工艺和芯片工艺制造方法，制作了半极性（20-21）Micro-LED，实验证明半极性结构的绿色Micro-LED在可见光通信（VLC）应用中具有良好的传输能力。非辐射能量转移（NRET）机制是一种新颖的技术，可以进一步提高全彩Micro-LED器件的颜色转换效率（CCE）和有效量子产率（EQY）。而喷墨打印技术简化了彩色Micro-LED的制作工艺，降低了成本，拓展了彩色Micro-LED技术的研究思路。这些技术为Micro-LED显示技术应用于AR/VR、水下通信、医疗探测、车载显示等方面奠定了基础。
表1：LCD、OLED、Micro-LED性能比较。
采用半极性材料制作高色彩稳定性Micro-LED器件
研究人员发现使用传统半导体工艺制备技术研究微显示器件时将存在挑战，尤其是应用蓝光或紫外光LED器件时，器件的光电性能受到量子限制斯塔克效应（QCSE）的严重制约。台湾阳明交通大学与厦门大学的研究人员合作，通过采用半极性（20-21）晶圆和量子点光刻胶技术解决这些问题，实现了高色彩稳定性的全彩Micro-LED显示。传统的c面LED容易受QCSE影响，导致效率下降和发射波长移位的问题，常见解决方法是在外延过程中插入应变缓解层，但效果一般。半极性（20-21）方向的生长为解决极化相关电场问题提供了一种新途径，避免了传统c面结构的限制。
研究团队发现使用传统工艺制备半极性GaN器件存在高成本的问，这与产业界希望大规模
生产的要求不兼容。为了克服这些挑战，他们采用了一种创新的技术，即定向控制外延技术（OCE），直接在常见的蓝宝石晶片上生长半极性GaN。这项技术利采用了金属有机化学气相沉积（MOCVD）和沟槽蚀刻衬底侧壁的方法，成功地在特定表面上生长了半极性GaN薄膜结构。为了提高色彩稳定性，研究团队采用了量子点融合光刻胶（QDPR）的光刻工艺制作颜色转换层。该工艺采用了量子点荧光转换技术，通过在LED器件上引入颜色转换层，实现了更宽的色域。该技术的优势在于适用于普通光刻工艺，可实现大规模生产。这种图像化方法具有控制厚度和尺寸的能力，同时克服了传统传质技术的难题。
研究团队通过比较c面和半极性Micro-LED的性能，发现半极性器件的峰值波长在电流密度为30 A/cm2后稳定，而c面器件则需要更高的电流密度90 A/cm2才能实现稳定。这表明半极性器件在波长稳定性方面表现更优，这为半极性Micro-LED在显示领域的应用提供了有力支持。在色度坐标CIE 1931中，半极性Micro-LED表现出更小的色移，且随着电流密度的增加，c面器件有10%的色移，而半极性器件几乎没有变化。此外，由于QDPR工艺的引入，半极性Micro-LED构成的RGB像素呈现出更宽的色域，达到了114.4%的NTSC和85.4%的Rec.2020。
实验结果表明该团队制备的全彩Micro-LED阵列具有高色彩稳定性，并且RGB子像素在电流密度变化下呈现极小的色移，实现了较宽的显示色域。这一技术突破消除了Micro-LED在显示器应用上的不确定性，为显示技术的发展提供了新的思路和选择，并在解决波长稳定性和色域扩展方面取得了显著的进展，为高分辨率、大面积显示器的发展提供了经济、实用的解决方案。
提高全彩混合量子点纳米环Micro-LED效率的方法
联合研究团队通过结合应变诱导工程、原子层沉积和非辐射共振能量传递技术，成功提高了全彩单片混合量子点纳米环Micro-LED的效率，为Micro-LED显示技术的进一步发展提供了有益的启示。
△ 图1：（a）生长在蓝宝石衬底上的半极性GaN示意图；（b）生长在半极性（20-21）蓝宝石衬底上的InGaN/GaN LED四寸外延片；（c）生长在蓝宝石衬底上的无半极性InGaN/GaN LED的俯视显微镜图像；（d）通过定向控制外延生长在图案蓝宝石衬底上的（20-21）GaN的截面SEM图像。
该团队研究了一种混合量子点-纳米线-Micro-LED（QD-NR-µLED）的制备工艺，旨在实现全彩平面显示。首先，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在蓝宝石衬底上生长InGaN/GaN LED外延层，形成基础LED结构。外延结构包括GaN缓冲层、n-GaN层、未掺杂InGaN/GaN 多量子井（MQW）层和p-GaN层。随后，通过复杂的光刻和电子束工艺，精确制作了Micro-LED的RGB区域和纳米线（NR）阵列。纳米线NR的制备涉及电子束蒸发沉积镍、剥离工艺去除光刻胶，并通过离子蚀刻确定有源区域，分离pn层。绝缘层采用了原子层沉积（ALD）技术，通过在氩气环境中使用三甲基铝和水的交替循环，制备了Al2O3钝化层。该层的厚度通过循环次数进行控制。颜色转换层采用超级喷墨技术将CdSe/ZnS红色量子点喷涂在蓝色NR-µLED的区域上，形成全彩显示光源的颜色基础。
△ 图2：c面μ-led和QDPR在不同电流密度下的RGB像素色域，（a）CIE 1931和（b）CIE 1976；半极性μ-LED和QDPR在不同电流密度下的RGB像素色域（c）CIE 1931和（d）CIE 1976。
△ 图3：（a）RGB像素阵列SEM图俯视图；（b）倾斜角度为30°的NR-μLED的SEM图像；（c）MQWs与QDs接触区域的TEM图像；（d）Al2O3沉积在NR-μLED侧壁上的TEM图像。
实验结果表明，当Al2O3钝化层厚度为1 nm时，蓝色NR-µLED在波长为430 ~ 515 nm的发光强度提高了143.7%。声子容易在表面缺陷引起的陷阱态中形成非辐射复合，因此，Al2O3钝化层薄膜可以减少器件的总内反射和侧壁表面非辐射复合。ALD沉积的Al2O3钝化层薄膜具有适中的折射率，介于空气和GaN之间，有助于减小全反射的临界角，使得光能更容易穿透材料。
在先前的研究中，通过气溶胶喷射打印沉积的量子点的最小线宽被限制在30 ~ 40 µm。为了克服这一限制，研究团队升级了量子点（QD）喷涂方法，提高了喷涂精度，减小了沉积线宽。利用超级喷墨（SIJ）打印系统，成功在玻璃上制备了红色量子点打印出的线宽为1.65 µm，实现了对NR-µLED的精确喷涂。
该团队使用了典型的室温时间分辨光致发光（TRPL）实验来监测QD-NR-µLED中的光致发光动态，特别关注非辐射能量转移（NRET）机制。在实验结果中，通过对衰减曲线的比较，发现了QD -NR-µLED 结构的衰减速率明显低于作为参考组NR-µLED结构的衰减速率。结果显示，通过ALD钝化层和未经过钝化的QD-NR-µLED的NRET效率分别为66.4%和53.6%，表明ALD钝化显著提高了NRET效率。进一步的分析表明，ALD钝化不仅改善了NRET效率，还通过修复表面缺陷提高了发光强度，使得蓝光器件的发光强度提高了143.7%。通过引入一层DBR作为滤波器，成功诱导了纯红光的发射，并且DBR的反射率曲线显示了短波长光的强烈反射，进一步提高了量子点的激发效率。
最终，混合QD-NR-µLED的EL光谱呈现出单个RGB颜色，具有优异的色坐标和宽色域。利用这种新颖的结构设计，使声子施主和受体激子的分离最小化，有效提高了混合器件的发光性能。总体而言，该研究突破了量子点和窄带发光二极管的性能瓶颈，为单片RGB-µLED器件的制备提供了新的思路和技术支持。
Micro-LED在光通信领域的研究
GaN基Micro-LED除了应用在微显示技术方面，还在光通信领域获得了可靠的进展。因其具有高带宽、低功耗和无需许可证等优点，其在可见光通信（VLC）应用领域具有广阔的前景。目前LED可见光通信器件容易受到内部偏振场的影响，这会影响其3-dB带宽和传输速率。市场销售的GaN-LED通常是极性LED，这会导致严重的量子限制斯塔克效应（QCSE），从而导致在高注入电流密度下的效率降低，当InGaN/GaN MQWs的晶面生长的方向垂直于极性面时，可以完全消除极化场，但会导致外量子效率EQE降低，以及掺杂量低、输出功率低、外延材料质量差等问题。因此，通过改进锗掺杂氧化铝工艺，成功制备了无锗半极性LED。除此之外，还做了以下工作：①使电极最小化从而减小电容，以达到较小的时间常数RC；②用圆形电极改善电流扩散并增强电气性能；③利用原子层沉积（ALD）技术制备Al2O3绝缘层来消除蚀刻过程中侧壁缺陷的影响；④用蒸镀设备沉积背面的DBR反射层。通过以上工作制作的Micro-LED器件具有优异的光电特性，该半极性（20-21）Micro-LED实现了长波长InGaN/GaN LED器件中有史以来最高的3-dB带宽，在2.0 kA/cm2时具有756 MHz的带宽和525 nm的峰值波长，数据传输速率达1.5 Gbit/s。
△ 图4：50μm半极性（20-21）Micro-LED，（a）原理图；（b）频率响应测量结果；（c）原理图；（d）数据速率测量可视图。
目前，在基于LED的光电探测（PD）研究中，器件工作在反向偏置或零偏置状态下显示的正向偏置信号的性能检测和应用研究较少。采用原子层沉积技术（ALD）在有源区域的侧壁表面沉积Al2O3钝化层，以减少载流子泄漏并提高响应速率，并且通过对比有无ALD标准样品的I-V曲线，以及在偏置电压为-5~3 V时不同接收光功率下的响应速率，验证了ALD可以提高Micro/Mini-LED PD的响应速率。该实验采用单颗Micro/Mini-LED作为收发器，使16-QAM-OFDM实现距离超过1m，数据传输速率350 Mbps的全双工可见光通信系统，论证了Micro/Mini-LED未来在显示和通信领域具有多功能应用的前景。这些研究工作简化了全双工通信系统的结构，降低了系统功耗，便于多功能微型LED器件的集成，论证了Micro/Mini-LED在小型化物联网和多功能显示领域的应用潜力。
基于非辐射能量转移机制的量子点Micro-LED最新进展
传统的无机荧光粉在尺寸精度和侧壁缺陷控制方面存在限制，这对微尺寸范围的Micro-LED实际应用造成了困扰。为了解决这些问题，厦门大学研究团队近年来提出了基于量子点（QD）和非辐射能量转移（NRET）的新方法。量子点具有纳米级尺寸和高发光效率，并且可以与Micro-LED芯片紧密结合，因此非常适合用于NRET。
自2000年德克萨斯理工大学提出Micro-LED技术以来，LED光源进入了微显示时代。相比传统的Mini-LED和OLED等屏幕显示技术，Micro-LED 具有高亮度、高光效、低能耗、响应速度快、对比度高、自发光、使用寿命长等优点，因此备受关注。然而，基于全彩色Micro-LED的技术在量产方面存在一些挑战，例如制造高分辨率显示器需要组装和驱动数千万数量级的Micro-LED，而且贴装精度要求小于1µm。在同一基板上转移或生长如此数量的三种色光的Micro-LED是非常困难的。为了解决这个问题，量子点被引入作为一种颜色转换材料，通过在蓝光或紫外光激发下实现RGB全彩显示。量子点是由少量特殊发光原子组成的纳米材料，通过调整量子点的尺寸，可以比较容易实现不同波长的发光。作为Micro-LED的颜色转换材料，量子点可以替代尺寸较大且应用困难的传统荧光粉。此外，通过不同量子点的组合，可以方便地调节白光参数，包括色品坐标、相关色温和显色指数。
非辐射能量转移（NRET）是通过量子点和Micro-LED芯片之间的能量传递实现的。量子点具有纳米级尺寸和高发光效率，与Micro-LED芯片紧密结合后，能够实现高效的能量传递。本文将首先讨论QD和Micro-LED之间的NRET机制，然后介绍纳米柱LED、纳米孔LED和纳米环LED等结构，这些结构有利于实现QD和Micro-LED之间的NRET效应。纳米柱LED具有高度可控的结构，可以有效地提高NRET效率。纳米孔LED则利用孔洞结构增强了量子点与Micro-LED之间的相互作用，从而实现更高的能量传递效率。而纳米环LED则通过环形结构的设计，进一步提高了NRET效率。这些创新的结构和设计为量子点Micro-LED的应用提供了新的途径。
△ 图5：QD Micro-LED的研究进展，（a）批量生产的方法；（b）原子层沉积钝化；（c）Micro-LED芯片与QD之间的能量传递原理；（d）QD Micro-LED的结构设计。
△ 图6：（a）纳米柱LED示意图；（b）纳米柱LED器件的横截面SEM图像；（c）QD涂层纳米柱的SEM图像。
尽管基于非辐射能量转移机制的量子点Micro-LED取得了显著的进展，但仍然存在一些挑战需要克服。首先，量子点的合成方法和制备工艺仍然需要进一步改进，以提高制备效率和稳定性。其次，量子点与Micro-LED之间的界面优化和能量传递效率的提高也是一个重要的研究方向。此外，大规模制备和集成量子点Micro-LED显示器的技术难题也需要解决。未来，可以期待通过深入研究和技术创新，进一步提高量子点Micro-LED的性能和应用范围，实现更广泛的商业化应用。
基于非辐射能量转移机制的量子点Micro-LED 是当前显示技术领域的热点研究方向。通过引入量子点作为颜色转换材料，并利用非辐射能量转移机制，可以提高Micro-LED器件的颜色转换效率和能量利用率。纳米柱LED、纳米孔LED和纳米环LED 等结构的设计和优化进一步推动了该技术的发展。尽管面临一些挑战，但随着研究的深入和技术的进步，基于非辐射能量转移机制的量子点Micro-LED将在未来实现更广泛的应用，并为显示技术带来新的突破和发展。
喷墨打印技术在微显示应用中的进展与挑战
为了实现高密度高画质的微显示图像，需要制作具有高像素密度和高亮度的光源元器件。喷墨打印技术作为实现Micro-LED的全彩显示都技术方案之一，采用量子点作为色转换层，将量子点涂覆到单色Micro-LED阵列上，使原始光源的光色转变为RGB三原色实现全彩发光，是实现全彩显示的重要方法之一。
喷墨打印技术是一种将各种材料溶液通过高压喷头按指定坐标点顺序喷射到基底表面，形成指定图案的技术。它具有工艺简单，成本低廉，几乎零废料的优点，广泛应用于印刷、电子材料、生物医药等多领域。2015年，韩国研究人员利用喷墨打印技术，将量子点溶液直接喷射到UV-LED微阵列表面，实现282 PPI的微显示器全彩显示。随后，研究人员利用不同的喷墨技术，不断提高微显示的分辨率和画质。Kuo等人利用超级喷墨技术，将单个喷墨水滴量降低到0.1fL，实现的线宽降低到1.65 μm，量子点行列的最小距离为2 μm，可达到更高的分辨率。2019年，钟海政团队提出的另一种解决方案是将纯前驱体溶液喷射到预先制备的各种类型的聚合物薄膜上，这种解决方案避免了使用制备好的量子点进行实验时墨水降解的可能。
△ 图7：（a）AJP工艺流程图；（b）基于光刻和AJP技术的全彩Micro-LED显示屏制作工艺；（c）QD-NR-Micro-LED显示屏全彩设计。
除了不断优化喷墨技术本身，研究人员还通过改造喷墨墨水特性，提高打印效率和质量。首先，适当增加墨水粘度可以抑制喷墨时局部流动，减少“咖啡环”现象，实现均匀印刷。其次，增加墨水表面张力能减少微滴在基底上的扩散，降低线宽。此外，使用多溶剂体系调节其优势挥发速率，可形成表面张力梯度产生的内向马兰戈尼流，进一步抑制“咖啡环”效应。通过以上技术改进，喷墨打印技术在微显示中的应用已经取得了显著进展，实现了高达5000 PPI的Micro-LED分辨率。然而，仍然存在一些需要解决的难题。厦门大学研究团队不仅研究了量子点喷墨打印技术，还总结了当前喷墨打印技术在Micro-LED方面的研究进展及面临的挑战，这些工作为未来喷墨打印技术的发展与研究提供了重要的参考与启示。首先是光学串扰问题，由于Micro-LED之间的距离远小于其尺寸，LED发出的光常�；峤胂嗔诘腖ED中，影响图像质量。其次是蓝光吸收不足的问题，量子点材料对蓝光的吸收效率较低，导致发光效率不高。此外，喷墨过程中纳米材料的聚集也容易影响器件质量。
为了解决这些问题，研究人员提出了一些新的方法。例如利用光学模具将额外的光束反射回目标像素中，以减少光学串扰现象。另一种方法是将量子点内嵌到Micro-LED结构层中，实现非辐射能量转移，从而提高发光效率�；褂幸恢址椒ㄊ且隩iO2颗粉作为蓝光散射体，以增强蓝光的传输效果。此外，通过优化喷墨过程的参数，控制粒子的生成和分布，也可以改善成品的质量。除了喷墨打印技术，研究人员还探索了全息微显示和纳米印刷技术，以更好地满足未来AR/VR对超高分辨率的需求。
总体而言，随着喷墨打印技术和配套材料不断优化，Micro-LED全彩显示已基本成熟。但与AR/VR高端应用还存在一定差距，需要相关技术取得新的突破，例如打印精度、超高分辨率、全息显示等。只有真正实现高画质、低功耗的微显示，才能极大提升用户体验，促进AR/VR核心技术的发展。随着人工智能在各行各业的广泛应用，微显示作为重要人机交互载体之一，其应用前景广阔，定将打开崭新的应用模式。
△ 图8：G2.5示范的Micro-LED工艺流程及彩色效果。
巨量转移技术进展
目前商业上上已经实现了RGB单色Micro-LED微小尺寸显示发光单元的制作，如已经报道的JBD公司2.5 µm像素尺寸单色Micro-LED芯片。但是如何实现不同单色Micro-LED颗粒单元的高效集成，实现全彩显示，依旧是业界难点。当前主流技术路线以GaN材料外延片制作蓝光和绿光Micro-LED芯片，以AlGaInP材料外延片制作红光Micro-LED芯片，然后通过把不同色光Micro-LED单元转移到硅衬底上，与有源控制电路键合后实现彩色发光，这种方法称为巨量转移技术。巨量转移技术是迄今为止实现Micro-LED芯片全彩化高效集成发光最有效的封装技术。巨量转移技术还包括激光剥离技术、接触式μTP（Micro-Transfer-Printing）技术、激光非接触式μTP技术和自流体组装技术等。
值得注意的是，巨量转移过程对精度的要求极高，即使存在百万分之一的失误，也会造成明显的显示色彩噪点，并且每个Micro-LED显示屏需要精准地集合至少数千万不同的发光单元颗粒。作为Micro-LED产业化全彩显示技术的关键一环，巨量转移技术对转移设备的稳定性与精度要求极高，每种芯片只能单颗转移，同时需要避免转移过程中出现重叠、错位等问题，而转移后如何精准地与硅基控制电路电极实现有效键合，更是重中之重。显然，传统的照明LED转移工艺无法满足商业化制造需求。
2023年5月，在全球最大显示展会“SID Display Week 2023”上，厦门大学公布了由其研究团队主持建设，现已建成的全球首条23.5英寸（G2.5，370 mm×470 mm）Micro-LED巨量转移工艺示范线，该产线包括人工智能辅助设计、芯片制造、转移集成、可靠性评估等完备的Micro-LED智造创新产业链。当前，研究团队已开发了多应用场景、高性能显示应用的Micro-LED芯片产品，并成功开发了高良率、高效率的激光巨量转移全产业链工艺，实现单色、全彩芯片阵列的点亮。该技术进展是Micro-LED全彩化道路上里程碑式的进步，引领了新型显示产业发展。
扩展阅读
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Chen, Sung-Wen Huang, et al. "Full-color micro-LED display with high color stability using semipolar (20-21) InGaN LEDs and quantum-dot photoresist，" Photonics Research 630-636 (2020).
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Chen. Sung-Wen Huang, et al. "Full-color monolithic hybrid quantum dot nanoring micro light-emitting diodes with improved efficiency using atomic layer deposition and nonradiative resonant energy transfer，" Photonics Research 416-422 (2019).
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Chen. Sung-Wen Huang et al. "High-bandwidth green semipolar (20–21) InGaN/GaN micro light-emitting diodes for visible light communication，" ACS Photonics 2228-2235 (2020).
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Yang. Xiao et al. "An overview on the principle of inkjet printing technique and its application in micro-display for augmented/virtual realities." Opto-Electronic Advances 210123 (2022).
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Fan. Xaotong et al. "Recent developments of quantum dot based micro-LED based on non-radiative energy transfer mechanism." Opto-Electronic Advances 210022 (2021).
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