基于Micro-LED全彩色微顯示器制造技術(shù)研究進(jìn)展

萬(wàn)艷麗,田婷芳,張振威

(南昌大學(xué)物理與材料學(xué)院，南昌 330031)

0 引 言

Micro-LED作為新一代顯示技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的陰極射線管(cathode-ray tube, CRT)、激光二極管(laser diode, LD)、液晶二極管(liquid crystal diode, LCD)而言，具有高亮度、低能耗、長(zhǎng)壽命、高對(duì)比度、自發(fā)光等優(yōu)勢(shì)[1-2]，可應(yīng)用于柔性可穿戴[3-4]、8K超高清視頻、光通信[5]、醫(yī)療檢測(cè)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)/虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等多個(gè)領(lǐng)域[6]。Micro-LED一般指像素尺寸小于50 μm的LED，最早在2000年由Jin等[7]制備了第一個(gè)micro-LED，其像素尺寸為12 μm，中心間距為50 μm。之后陸續(xù)有學(xué)者報(bào)道出不同規(guī)格的LED微顯示陣列，圖1列出了具有代表性的micro-LED研究進(jìn)展[8-12]。2001年Jiang等[13]制作了分辨率10×10、像素尺寸為12 μm的藍(lán)色被動(dòng)驅(qū)動(dòng)micro-LED，為較早報(bào)道的基于Ⅲ族氮化物的micro-LED。2003年Jeon等[14]采用干法刻蝕和自對(duì)準(zhǔn)隔離等技術(shù)制備了像素尺寸為20 μm的GaN基micro-LED，次年該課題組Choi等[15]又報(bào)道了分辨率為128×96的LED微顯示陣列，其研究組的方法允許多個(gè)GaN基器件直接互聯(lián)，且進(jìn)一步提高了器件的發(fā)光性能和均勻性。2006年梁靜秋等[16]制作了像素尺寸為16 μm×20 μm的AlGaInP基紅光micro-LED，分辨率達(dá)1 000×818，該方法對(duì)GaAs襯底進(jìn)行腐蝕減薄，有效抑制了襯底對(duì)光的吸收，為后續(xù)制備高效率紅色micro-LED提供了參考。2015年Jeon等[17]制作了分辨率為12×12、像素尺寸分別為8 μm和12 μm的InGaN基藍(lán)光micro-LED，該方法通過(guò)PECVD SiO2填充像素間隙和CMP拋光工藝對(duì)器件進(jìn)行了電氣隔離，實(shí)現(xiàn)了元件的高均勻性。之后又有研究團(tuán)隊(duì)陸續(xù)報(bào)道了高分辨率的藍(lán)/綠光micro-LED，像素密度達(dá)2 000 ppi[18-19]。相比而言，藍(lán)/綠光micro-LED的研究已經(jīng)比較成熟，但高效率的紅光micro-LED鮮有報(bào)道，這與紅光的自身材料體系增加了其制造難度有關(guān)。2020年Huang等[20]制造和表征了像素尺寸范圍從5～50 μm的AlGaInP基紅光LED微顯示器，不可避免地隨著LED尺寸縮小，效率急劇下降。2021年Amelie等[21]通過(guò)在硅基InGaN襯底上生長(zhǎng)不同In組分的InGaN結(jié)構(gòu)，成功制備了像素尺寸為10 μm的高效率紅光micro-LED，其研究組首次報(bào)道的InGaN基紅光微顯示陣列突破了傳統(tǒng)AlGaInP體系紅光的低效率問(wèn)題，使用InGaN襯底意味著可以與藍(lán)/綠光micro-LED芯片工藝兼容，有望在同一襯底上制備三色micro-LED芯片。此外，InGaN襯底相比于GaAs襯底晶體質(zhì)量更高、剝離損傷更小，這提高了紅光micro-LED的生產(chǎn)良率。目前，限制InGaN基紅光micro-LED發(fā)展的主要因素是光提取效率低和晶格失配的問(wèn)題。Amelie及其研究組[21]提出的采用外延層沉積技術(shù)減少I(mǎi)nGaN層應(yīng)力可以有效提升紅光micro-LED的效率。若有更簡(jiǎn)單有效的方法提高InGaN基紅光micro-LED的發(fā)光效率，則未來(lái)可實(shí)現(xiàn)高效率的全彩色微顯示。

隨著單色micro-LED制備技術(shù)的逐漸成熟，一些研究者對(duì)全彩色微顯示器展開(kāi)研究。Micro-LED商業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)是全彩色顯示，但由于紅、綠、藍(lán)LED微顯示器件基于不同材料體系制備，難以進(jìn)行小尺寸集成，并且隨著芯片尺寸縮小至微米級(jí)，基于AlGaInP四元體系的紅光LED相比于InGaN/GaN基藍(lán)綠光LED表面復(fù)合速率更快，效率顯著下降至1%左右，載流子損耗明顯[22]。而同樣情況下，藍(lán)光微顯示器件隨尺寸的縮小效率下降幅度緩慢得多[23]。此外，生長(zhǎng)在GaN基襯底上的紅光LED在制備技術(shù)上存在巨大挑戰(zhàn)，原因主要有兩點(diǎn)，其一是極化場(chǎng)導(dǎo)致的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)使其效率下降顯著[24]，其二是InN和GaN之間的晶格失配使外延層中產(chǎn)生大量缺陷[25]。而在AlGaInP基紅光LED中，GaAs襯底對(duì)紅光的吸收嚴(yán)重限制了其光提取效率[26]。這些挑戰(zhàn)不斷促使研究團(tuán)隊(duì)投身于高效率紅光LED的研究中[27-28]，而不斷涌現(xiàn)出的創(chuàng)新制備方法為micro-LED最終實(shí)現(xiàn)全彩化奠定了基礎(chǔ)。各半導(dǎo)體企業(yè)也加大布局micro-LED研發(fā)，公布了多款產(chǎn)品，如索尼推出的Crystal LED電視、LG推出的163英寸4K micro-LED電視LG MAGNIT和三星推出的The Wall顯示屏等。

本文介紹了micro-LED器件的一般制作方法，對(duì)其全彩化技術(shù)進(jìn)行歸納和總結(jié)，并討論了其發(fā)展中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 Micro-LED制作技術(shù)

Micro-LED芯片的結(jié)構(gòu)一般有水平結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)及近年來(lái)提出的一些新型結(jié)構(gòu)，其中，相對(duì)于水平結(jié)構(gòu)芯片出光效率低、垂直結(jié)構(gòu)芯片制備技術(shù)難度大，倒裝結(jié)構(gòu)芯片憑借其高集成、高光效、高散熱等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。如圖2所示，以GaN基藍(lán)寶石外延片襯底為例，展示了一種倒裝結(jié)構(gòu)micro-LED的制備流程。具體步驟為：(1)制備Cr標(biāo)記，以便后續(xù)工藝進(jìn)行光刻對(duì)準(zhǔn)；(2)使用電感耦合等離子體刻蝕至n-GaN層，定義像素發(fā)光區(qū)域；(3)使用磁控濺射蒸鍍Au/Ni等金屬，制備P、N電極；(4)使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積SiO2絕緣層，并使用反應(yīng)離子刻蝕出過(guò)孔；(5)沉積Cr/Al等金屬，形成金屬凸點(diǎn)。其中每一步工藝都需要通過(guò)光刻得到圖案化的掩膜。最后將圖形化的外延片進(jìn)行襯底減薄拋光，切割成單獨(dú)的芯片，再將其與基于硅基的驅(qū)動(dòng)集成電路陣列進(jìn)行倒裝鍵合，經(jīng)打線封裝后一顆完整的LED芯片制備完成。Micro-LED的制作技術(shù)會(huì)隨著其工藝要求的不同而有所差異，但主要思路都是基于PN結(jié)發(fā)光的原理下改善其光學(xué)和電學(xué)性能。

圖2 一種micro-LED制作技術(shù)工藝流程圖Fig.2 A flowchart of a micro-LED production technology

2 Micro-LED全彩色方法

紅綠藍(lán)(RGB)是色彩中的三原色，可以通過(guò)三者之間的不同配比合成各種顏色，人眼感知到的純白色大致由藍(lán)光10%、綠光60%、紅光30%的亮度配比混合而成。由于紅綠藍(lán)芯片難以在同一襯底上制備得到，再加上紅光顯示對(duì)In含量有更高的要求且其發(fā)光效率偏低，因此要實(shí)現(xiàn)全彩色顯示，則需要將RGB三色LED芯片集成到同一基板上。一般芯片尺寸小于50 μm的LED被稱(chēng)為micro-LED，這意味著需要轉(zhuǎn)移的像素?cái)?shù)量高達(dá)百萬(wàn)甚至千萬(wàn)量級(jí)，并且尺寸都在微米量級(jí)，因此巨量轉(zhuǎn)移難度巨大，而且會(huì)導(dǎo)致成品率低和成本高。為解決全彩色顯示難題，研究者們提出了一些可行的方法，下面對(duì)這些方法進(jìn)行分別介紹，同時(shí)RGB直接排列法作為一種傳統(tǒng)方法也一并介紹，主要有：(1)顏色轉(zhuǎn)換層法；(2)RGB直接排列法；(3)特殊結(jié)構(gòu)法；(4)光學(xué)透鏡法。

2.1 顏色轉(zhuǎn)換層法

顏色轉(zhuǎn)換層法通常在未切割的紫外或者藍(lán)光micro-LED與驅(qū)動(dòng)電路集成后，通過(guò)旋涂或點(diǎn)膠的方法在芯片陣列上涂敷顏色轉(zhuǎn)換材料來(lái)實(shí)現(xiàn)綠光和紅光的發(fā)射。其中發(fā)光介質(zhì)一般為熒光粉和量子點(diǎn)(quantum dot， QD)，在微顯示中，熒光粉材料由于尺寸一般在微米量級(jí)容易導(dǎo)致色差而逐漸被淘汰，而量子點(diǎn)材料發(fā)射光譜窄、熒光量子產(chǎn)率高、缺陷容忍度高[29]，應(yīng)用更為廣泛。量子點(diǎn)材料可以通過(guò)調(diào)控粒徑大小來(lái)改變不同發(fā)光的波長(zhǎng)。量子點(diǎn)粒徑越小，發(fā)光波長(zhǎng)越短，發(fā)光顏色藍(lán)移；粒徑越大，發(fā)光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，發(fā)光顏色紅移。2021年Meng等[30]將大面積MoS2TFTs與氮化物micro-LED集成，制備了每英寸(1英寸=2.54 cm)1 270 ppi的高分辨率全彩色微顯示器，其研究組實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的方法為通過(guò)在InGaN多量子阱中分別摻雜13%和21%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的銦含量來(lái)實(shí)現(xiàn)藍(lán)綠光發(fā)射，在藍(lán)光LED上沉積彩色轉(zhuǎn)換CdSe/CdTe量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)紅光發(fā)射。該方法只需要進(jìn)行紅光轉(zhuǎn)換，減少了有毒重金屬Cd2+的引入，但前端分區(qū)摻雜工藝較復(fù)雜，且未改善像素之間顏色串?dāng)_問(wèn)題，限制了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。2022年，Hwangbo等[31]將MoS2薄膜晶體管與micro-LED器件單片集成，實(shí)現(xiàn)了最高達(dá)每英寸508 ppi的分辨率。其研究組通過(guò)在藍(lán)色GaN基micro-LED上噴涂紅/綠量子點(diǎn)顏色轉(zhuǎn)換層實(shí)現(xiàn)全彩色顯示，其中CdSe/ZnS量子點(diǎn)與基于透明環(huán)氧樹(shù)脂的SU-8光刻膠混合可光刻形成圖案，這種與光刻膠混合的量子點(diǎn)一般可以達(dá)到60%～70%的量子產(chǎn)率。圖3為該方法的工藝示意及發(fā)光效果顯示圖[32]，該方法制備得到的綠色和紅色微顯示器外量子效率(EQE)分別達(dá)到27.76%和26.30%，發(fā)射波長(zhǎng)分別在530 nm和640 nm，且色域達(dá)到國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(NTSC)規(guī)范的110%。但在micro-LED器件上單片集成MoS2TFTs進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方法使得顯示器光路需從底部發(fā)射，而藍(lán)寶石襯底的厚度嚴(yán)重導(dǎo)致了紅/綠量子點(diǎn)的光轉(zhuǎn)換效率低和色純度差，這意味著后期需要有效進(jìn)行襯底減薄或者襯底剝離，增加了工藝難度。

圖3 顏色轉(zhuǎn)換層法[32]。(a)MoS2與micro-LED單片集成工藝示意圖; (b)發(fā)光效果顯示圖Fig.3 Color conversion layer method[32]. (a) MoS2 and micro-LED single-chip integrated process schematic diagram; (b) light emitting effect display diagram

采用量子點(diǎn)作為顏色轉(zhuǎn)換層成本低、制作簡(jiǎn)單，且隨著各種鈣鈦礦等新型量子點(diǎn)的提出[32-33]，成為實(shí)現(xiàn)全彩色顯示最常用的方法。但它對(duì)外延片的波長(zhǎng)均勻性要求高，穩(wěn)定性差，容易造成不同顏色像素間的光學(xué)串?dāng)_。研究表明，進(jìn)行溝槽填充量子點(diǎn)[34]、引入黑色光刻膠模具[35-36]、設(shè)計(jì)分布式布拉格矩陣結(jié)構(gòu)、加入散射粒子等方法可以有效提高光轉(zhuǎn)換效率和削弱像素間顏色串?dāng)_[37-38]。2015年Han等[39]在紫外micro-LED上使用氣流噴印技術(shù)涂敷紅綠藍(lán)量子點(diǎn)，并引入布拉格反射層阻擋紫外光泄露，制備出分辨率為128×128的全彩色micro-LED，該方法有效提高了LED顯示的色純度，但使用紫外光源增加了其制造成本，且在噴涂技術(shù)中難以避免的咖啡環(huán)效應(yīng)使得量子點(diǎn)油墨沉積不均勻，可能的解決辦法為使用表面張力更小的溶劑制備揮發(fā)速率更慢的量子點(diǎn)油墨和通過(guò)控制基板溫度減弱或消除咖啡環(huán)效應(yīng)。2020年Li等[40]在藍(lán)寶石襯底上單片制造具有藍(lán)/綠雙波長(zhǎng)發(fā)射的LED陣列，通過(guò)在不同子像素上覆蓋藍(lán)/綠濾光片和涂敷紅色量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分辨率為40×40的三色顯示，將像素轉(zhuǎn)移到不透明基板上并去除原襯底，有效抑制了光學(xué)串?dāng)_。2022年Sun等[41]使用微孔填充的方法，在光刻后的基板上涂敷量子點(diǎn)，通過(guò)刮勻拋光表面得到了最小尺寸為2 μm的高分辨率量子點(diǎn)圖形，該法工藝簡(jiǎn)單且色彩均勻性高，較低的成本使得其有望應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，但在micro-LED器件上實(shí)現(xiàn)同樣的微尺寸像素點(diǎn)制備還有待進(jìn)一步工藝開(kāi)發(fā)。目前核殼結(jié)構(gòu)的鎘類(lèi)量子點(diǎn)以其穩(wěn)定性高、易制備、發(fā)展成熟等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于制備全彩色微顯示器中的顏色轉(zhuǎn)換材料，且工藝趨于成熟和多樣化。但隨著社會(huì)發(fā)展，研究者們必須開(kāi)發(fā)一種輕毒或無(wú)毒、對(duì)環(huán)境更友好的顏色轉(zhuǎn)換材料，具有發(fā)光半峰全寬窄(<20 nm)、量子產(chǎn)率高(>90%)、發(fā)光峰位可調(diào)、毒性小等優(yōu)點(diǎn)的鈣鈦礦量子點(diǎn)也因此逐漸熱門(mén)。鈣鈦礦量子點(diǎn)的直接圖案化是可采用的一種方法，2019年Wang等[42]提出使用Ar等離子體處理誘導(dǎo)鈣鈦礦納米晶(NCs)配體中的不飽和碳鍵發(fā)生聚合，未聚合區(qū)域溶解于非極性溶劑中，從而實(shí)現(xiàn)圖案化，通過(guò)交替旋轉(zhuǎn)涂層和選區(qū)等離子體處理可以實(shí)現(xiàn)在同一襯底上制備出多色納米晶圖案，分辨率達(dá)到幾微米，同時(shí)有效提高了CsPbX3納米晶的穩(wěn)定性。其納米晶圖案化的工藝示意圖和三色圖案顯示效果如圖4所示。

與傳統(tǒng)光刻、噴墨印刷等方法不同，這種等離子體誘導(dǎo)配體聚合的方法更為簡(jiǎn)單且可大規(guī)模制備，但對(duì)于100 nm左右的薄膜厚度而言，應(yīng)用于micro-LED全彩色顯示中顏色轉(zhuǎn)換效率依舊過(guò)低，且若使用藍(lán)光等短波長(zhǎng)光激發(fā)，則無(wú)法避免藍(lán)光的泄露。要獲得高質(zhì)量的鈣鈦礦量子點(diǎn)薄膜圖案，還需進(jìn)一步增加量子點(diǎn)涂敷厚度。2022年Liu等[43]在鈣鈦礦量子點(diǎn)中添加光活性物質(zhì)，使得量子點(diǎn)可直接進(jìn)行光刻，實(shí)現(xiàn)了5 μm高分辨率的高質(zhì)量鈣鈦礦量子點(diǎn)圖案，這種方法可以通過(guò)改變加入樹(shù)脂的類(lèi)別和配比調(diào)控薄膜厚度。雖然鈣鈦礦量子點(diǎn)應(yīng)用于顏色轉(zhuǎn)換材料具有非常好的前景，但穩(wěn)定性不好是其目前最大挑戰(zhàn)，鈣鈦礦量子點(diǎn)的低形成能和離子晶體特征使得其在空氣、水、光、熱以及極性溶劑的作用下迅速分解。目前，已有制備封裝層[44](SiO2、Al2O3、沸石包覆)、表面配體改性[45]等方法顯著提高了鈣鈦礦量子點(diǎn)的穩(wěn)定性。因此，隨著量子點(diǎn)質(zhì)量的提高及更優(yōu)良圖案化制備技術(shù)的提出，使用顏色轉(zhuǎn)換層法實(shí)現(xiàn)全彩色顯示將得到更廣泛的應(yīng)用，鈣鈦礦量子點(diǎn)的應(yīng)用也更為成熟。

圖4 納米晶膜圖案化[42]。(a)選區(qū)等離子體誘導(dǎo)配體聚合示意圖;(b)5 cm×5 cm玻璃基板上紅綠藍(lán)NCs陣列效果圖Fig.4 Nanocrystalline membrane pattern[42]. (a) Schematic of the selected-area plasma-induced ligand polymerization； (b) photograph of the red, green, and blue NCs arrays on a 5 cm×5 cm glass substrate

2.2 RGB直接排列法

RGB直接排列法將分立的紅綠藍(lán)三色micro-LED芯片通過(guò)巨量轉(zhuǎn)移的方式集成到同一驅(qū)動(dòng)基板上，對(duì)每個(gè)LED進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制電流驅(qū)動(dòng)來(lái)調(diào)整顏色混光，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成。常用的制備方法為先選擇性區(qū)域生長(zhǎng)制備藍(lán)光和綠光InGaN/GaN LED，通過(guò)粘合劑集成紅光AlGaInP LED，再采用鍵合或倒裝的方式將三色LED的P電極和N電極與電路基板連接。但在小尺寸下，RGB三色芯片的外量子效率下降差異更為顯著，紅光的表面復(fù)合速率更快，芯片間不同的電學(xué)特性和生長(zhǎng)條件也給三色單片集成帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。2016年P(guān)eng等[46]在透明石英基板上使用板上芯片封裝(chip on board, COB)技術(shù)集成RGB三色芯片，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路行列掃描實(shí)現(xiàn)彩色動(dòng)畫(huà)的顯示，顯示效果如圖5所示。

圖5 RGB直接排列法[46]。(a)RGB三像素集成示意圖；(b)發(fā)光效果顯示圖Fig.5 RGB direct alignment method[46]. (a) RGB three pixel integration diagrams; (b) light emitting effect display diagram

2017年Meitl等[47]通過(guò)彈性印章轉(zhuǎn)印技術(shù)轉(zhuǎn)移RGB三色芯片至同一襯底上，實(shí)現(xiàn)三色顯示，這種方法需要巨量轉(zhuǎn)移單色芯片，雖然可以在藍(lán)寶石、玻璃、塑料等不同襯底上大規(guī)模制備，但良率低、技術(shù)難度大限制了其應(yīng)用；2018年Chang等[48]利用選區(qū)生長(zhǎng)(SAG)技術(shù)在InGaN基襯底上制備藍(lán)/綠LED，再使用粘合劑鍵合紅光LED芯片實(shí)現(xiàn)全彩色顯示，如圖6所示。這種方法與多色芯片轉(zhuǎn)移相比簡(jiǎn)化了工藝，但都是將RGB三色芯片集成在同一基板上，這不可避免地要考慮三色芯片間的不同電學(xué)特性，與藍(lán)光、綠光LED相比，紅光LED的開(kāi)啟電壓更低，且三者的老化速率不同，此外紅光LED由于其AlGaInP材料體系的固有特征，外量子效率隨尺寸減小衰減更為顯著，這嚴(yán)重縮短了器件的使用壽命和降低了光學(xué)顯示質(zhì)量。要實(shí)現(xiàn)RGB直接排列法的長(zhǎng)遠(yuǎn)使用，還需要進(jìn)一步提高紅光LED的外量子效率和色純度，開(kāi)發(fā)更高效率的InGaN基紅光micro-LED是一種解決辦法。2021年Amelie等[21]在兩種不同的硅基InGaN襯底上生長(zhǎng)10 μm大小RGB LED，通過(guò)插入應(yīng)變補(bǔ)償層、生長(zhǎng)更厚的InGaN層、引入電子阻擋層等方法有效提高了紅光LED的量子效率，實(shí)現(xiàn)了均勻的三色集成。隨著micro-LED的尺寸逐漸微小化，RGB直接排列法的應(yīng)用面臨更高的成本，這是因?yàn)樾枰D(zhuǎn)移三種色彩的micro-LED，意味著三倍數(shù)量的巨量轉(zhuǎn)移，雖然目前巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)有抓取釋放法、激光剝離法、流體自組裝法和靜電轉(zhuǎn)移法等多種方法，但發(fā)展都不成熟。沒(méi)有一種高效的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)導(dǎo)致了RGB直接排列法的micro-LED微顯示器制造成本高昂，另外技術(shù)難度大、良率低、三色LED的不同生長(zhǎng)條件及特性也阻礙了其發(fā)展。

圖6 RGB LED制備工藝示意圖[48]。(a)利用SAG制備藍(lán)光和綠光雙色LED的制備過(guò)程；(b)使用粘合劑鍵合紅色像素的過(guò)程；(c)最終器件的俯視圖、橫截面圖及依次顯示的顯微圖像Fig.6 Schematic of the fabrication process of the RGB LED[48]. (a) The fabrication process of the blue/green dual-color LED using SAG; (b) the process for the formation of the red pixels using adhesive bonding; (c) top and cross-sectional views of the final device, and the micro-image displayed in order

2.3 特殊結(jié)構(gòu)法

在對(duì)micro-LED全彩化研究日漸深入的同時(shí)，一些特殊結(jié)構(gòu)也應(yīng)用在全彩色顯示中，如納米柱LED[49]、設(shè)計(jì)中間載流子阻擋層[50]、直接外延生長(zhǎng)、設(shè)計(jì)不同形狀的LED陣列[51-52]等方法。在外延生長(zhǎng)上，與傳統(tǒng)LED相比，納米柱LED能夠在熱失配和晶格失配程度很高的襯底上進(jìn)行異質(zhì)外延，且擁有更小的尺寸，尺寸均勻性比自組裝的納米晶陣列更好。2018年Robin等[49]通過(guò)金屬有機(jī)氣相外延生長(zhǎng)(MOCVD)制備了基于納米柱的彩色LED，該法通過(guò)生長(zhǎng)在納米柱不同晶面上的量子阱的厚度以及相應(yīng)的極化誘導(dǎo)電場(chǎng)決定光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，InGaN摻入量沿納米柱發(fā)生變化，使不同量子阱區(qū)域依次被激活，從而實(shí)現(xiàn)LED全彩色顯示。其納米柱的核殼層結(jié)構(gòu)及LED電學(xué)特性[49]如圖7所示。目前生長(zhǎng)納米柱的方法主要有選擇性區(qū)域外延、自組裝生長(zhǎng)、催化劑輔助生長(zhǎng)等。納米柱還可以通過(guò)控制其直徑改變In含量，從而發(fā)射不同顏色波長(zhǎng)。

2018年Yamano等[53]通過(guò)納米壓印光刻等方法在AlN/Si襯底上制備了直徑80～300 nm的納米柱LED，實(shí)現(xiàn)了不同波長(zhǎng)的顏色發(fā)光。通過(guò)納米柱LED實(shí)現(xiàn)全彩化的方法可以有效地在側(cè)壁弛豫應(yīng)力，降低GaN位錯(cuò)密度，從而生長(zhǎng)很少缺陷的納米晶體，有效提高了LED的發(fā)光效率。但在納米柱LED這種微小結(jié)構(gòu)上準(zhǔn)確地控制發(fā)光波長(zhǎng)需要選區(qū)生長(zhǎng)不同直徑的納米柱或者通過(guò)改變電流密度大小來(lái)調(diào)控不同In組分區(qū)域的量子阱發(fā)光，這大大增加了工藝難度。顏色可控性不足和色純度低是限制納米柱LED應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。采用直接外延生長(zhǎng)的方法可以有效解決納米柱LED低色純度的問(wèn)題，而且顏色轉(zhuǎn)換效率也更高。2021年Ichikawa等[54]在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)摻銪GaN以實(shí)現(xiàn)紅光發(fā)射，然后單片垂直堆疊生長(zhǎng)后續(xù)的InGaN QW基藍(lán)色和綠色LED實(shí)現(xiàn)同一基板上分辨率超過(guò)4 000 ppi的三色發(fā)射，具有非常高的顏色純度，亮度最大達(dá)3 100 cd/m2，其結(jié)構(gòu)和發(fā)光顯示圖如圖8所示。

圖7 納米柱LED[49]。(a)納米柱核殼層結(jié)構(gòu)的STEM圖；(b)納米柱LED的電學(xué)特性Fig.7 The nano rod based LED[49]. (a) STEM picture of the core-shell layers structure; (b) electrical characteristic of the nano rod based LED

圖8 特殊結(jié)構(gòu)法[54]。(a)單片垂直堆疊全彩色micro-LED結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電致發(fā)光效果顯示圖Fig.8 Special structure method[54]. (a) Single vertical stacking full-color micro-LED structure diagram; (b) electrical light emitting effect display diagram

實(shí)現(xiàn)全彩色顯示，還可以進(jìn)行特殊的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)藍(lán)光、紅光量子阱，紅光量子阱在量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE效應(yīng)：指由極化電場(chǎng)導(dǎo)致能帶傾斜從而影響發(fā)光峰位偏移的現(xiàn)象)下可以發(fā)出紅光和綠光，隨著量子阱中In組分的增加，QCSE效應(yīng)越強(qiáng)，波長(zhǎng)偏移也越大。但目前這種方法只適用于實(shí)驗(yàn)室，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，還需要解決生長(zhǎng)條件苛刻、顏色可控度低和表面缺陷引起的載流子非輻射復(fù)合的問(wèn)題。

2.4 光學(xué)透鏡法

光學(xué)透鏡法是指通過(guò)外部控制單元將圖像信號(hào)傳輸?shù)饺齻€(gè)陣列驅(qū)動(dòng)器，再使用光學(xué)棱鏡將分立的紅光、綠光和藍(lán)光進(jìn)行合成，調(diào)整LED陣列亮度及棱鏡方向以實(shí)現(xiàn)全彩色顯示。2013年Liu等[55-56]采用倒裝芯片鍵合技術(shù)制作了一款無(wú)背光單元的全彩LED投影儀。該方法將micro-LED陣列與硅基集成電路進(jìn)行集成，再使用三色棱鏡將RGB三色光進(jìn)行光學(xué)組合，實(shí)現(xiàn)了分辨率為30×30的LED微投影儀全彩色顯示。圖9展示了該微投影儀的結(jié)構(gòu)原理和顯示效果。與傳統(tǒng)投影儀相比，該投影儀具有更簡(jiǎn)單的光學(xué)結(jié)構(gòu)和更高的光利用效率。

圖9 光學(xué)透鏡法[55-56]。(a)LEDoS微投影儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；(b)信號(hào)板架構(gòu)；(c)漢字顯示效果；(d)彩色圖片效果圖Fig.9 Optical lens method[55-56]. (a) LEDoS micro-projection instrument optical structure diagram; (b) signal board architecture; (c) Chinese characters display effect; (d) color picture renderings

光學(xué)透鏡法雖然操作簡(jiǎn)單，但每個(gè)LED芯片都是分立的，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模micro-LED全彩色顯示，應(yīng)用范圍也極其局限，目前只適用于投影技術(shù)。

2.5 小 結(jié)

Micro-LED 由于發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)、解析度超高與色彩飽和等優(yōu)勢(shì)成為下一代顯示技術(shù)，而全彩化顯示作為其商業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)得到了廣泛的研究和關(guān)注。顏色轉(zhuǎn)換層法隨著研究的深入已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種顏色轉(zhuǎn)換材料的制備方法，包括高精度噴墨印刷、制作模具填充量子點(diǎn)、量子點(diǎn)直接光刻、熱誘導(dǎo)圖案化、微流控技術(shù)等，但不可避免地都存在色轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。RGB直接排列法雖然可以不損耗發(fā)光能量，但基于更大表面復(fù)合速率和擴(kuò)散系數(shù)的AlGaInP材料體系的紅光LED與藍(lán)/綠 InGaN基LED集成存在色差、老化等問(wèn)題，且找到一種高效的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)也是巨大挑戰(zhàn)。特殊結(jié)構(gòu)法近年來(lái)也被許多研究者所開(kāi)發(fā)，這種方法在一定程度上解決了色轉(zhuǎn)換效率低和集成困難的問(wèn)題，但這些結(jié)構(gòu)通常生長(zhǎng)條件較復(fù)雜，在大規(guī)模應(yīng)用中存在一定困難。光學(xué)透鏡法的作用就更為局限，目前只應(yīng)用于微型投影儀。綜上，雖然RGB直接排列法如今成本高昂，但是相對(duì)于量子點(diǎn)將短波長(zhǎng)光轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)波長(zhǎng)光的這種用能量損耗換取成本的方案，RGB直接排列法具有更高的能源利用率。未來(lái)如若突破巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)，RGB直接排列法的micro-LED顯示器制造成本將大幅下降，有望成為更優(yōu)秀的顯示器。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

本文介紹了一種micro-LED的制作方法，詳細(xì)說(shuō)明了micro-LED全彩色顯示的發(fā)展現(xiàn)狀，主要有顏色轉(zhuǎn)換層法、RGB直接排列法、特殊結(jié)構(gòu)法、光學(xué)透鏡法。就目前研究成果而言，使用量子點(diǎn)作為顏色轉(zhuǎn)換層實(shí)現(xiàn)全彩色的方法應(yīng)用最為廣泛，但量子點(diǎn)在環(huán)境中的穩(wěn)定性及顏色轉(zhuǎn)換效率還有待進(jìn)一步提高。Micro-LED作為下一代顯示技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模全彩色顯示應(yīng)用，還面臨著成本高、良率低、修復(fù)難、巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)難度大等挑戰(zhàn)，需要找到一種更為簡(jiǎn)便和高效的方法，使用藍(lán)色量子點(diǎn)取代傳統(tǒng)的藍(lán)光/紫外LED激發(fā)光源，通過(guò)量子點(diǎn)的電致發(fā)光實(shí)現(xiàn)全彩色顯示是一種解決辦法。隨著micro-LED顯示技術(shù)的相關(guān)難題逐漸被解決，micro-LED將在航空、醫(yī)療、生物、交通、信息等領(lǐng)域起著不可替代的作用，給人們的生活也帶來(lái)質(zhì)的飛躍。