引用本文：閆龍, 韓冰, 趙項杰, 等.MicroLED全彩色微顯示技術研究進展[J].南通大學學報(自然科學版),2024,23(3):1-9.
Doi: 10.12194/j.ntu.20240327001
研究背景
隨著可穿戴器件、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等新型顯示產(chǎn)品的廣泛應用和普及，新型顯示技術在微小器件尺寸、高分辨率、高穩(wěn)定性等性能方面又提出了更高的性能需求?；谖⑿桶l(fā)光二極管(Micro-light-emiting-diode, MicroLED)的微型顯示器件具有低功耗、高穩(wěn)定、長壽命和響應時間短等突出特征，其相關技術和產(chǎn)品近年來已被廣泛應用于VR/AR眼鏡、微投影設備等。然而，目前MicroLED的全彩化問題是制約其進行商業(yè)化推廣的關鍵技術難點之一。本文綜述了實現(xiàn)MicroLED全彩色微顯示屏的主流色轉(zhuǎn)化技術方案，并梳理了近年來國內(nèi)外在AR/MR等終端應用中MicroLED全彩色微顯示的代表性進展。
色轉(zhuǎn)換技術是一種不通過器件轉(zhuǎn)移過程,即通過原位單片集成技術實現(xiàn)MicroLED全彩色微顯示的技術方法。其技術方案主要是使用紫外光或藍光MicroLED晶圓作為顯示陣列光源，將彩色熒光粉量子點或其他微納米結(jié)構加工制備在MicroLED藍/紫光光源上，利用光致熒光發(fā)光實現(xiàn)藍光一紅光、藍光一綠光等發(fā)光顏色轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)RGB三色高密度集成的陣列發(fā)光器件。按照實現(xiàn)色轉(zhuǎn)換的方式可將色轉(zhuǎn)換技術分為熒光粉、量子點、超表面三條技術路線。
熒光粉具有高熱穩(wěn)定性、高化學穩(wěn)定性(耐濕性)和穩(wěn)定的量子產(chǎn)率特點，通過在發(fā)光層上設計和制備可旋轉(zhuǎn)的濾色器結(jié)構是早期實現(xiàn)全彩色顯示的技術方案之一，該方法只需制備相應的RGB像元濾色器，制備簡單、成本低。然而，隨著MicroLED像元尺寸逐漸降低至10 μm以下，對色轉(zhuǎn)換材料的顆粒尺寸、光量子效率提出了更高的要求。但納米尺寸的熒光粉往往會存在熒光淬滅現(xiàn)象，無法解決MicroLED高密度集成、高亮度發(fā)光、高光效轉(zhuǎn)化等問題。
量子點是一類低維半導體材料，具有優(yōu)異的光致熒光產(chǎn)率，通過調(diào)節(jié)量子點的尺寸就可以控制其發(fā)光顏色。此外，它還具有寬吸收、窄發(fā)射、發(fā)光可調(diào)諧等優(yōu)勢和特點。2023年，湖南大學李梓維課題組研制了量子點光刻膠，結(jié)合芯片界面硅烷耦合劑預處理工藝，利用光刻工藝成功制備了9.91 mm (0.39英寸)的MicroLED全彩色微顯示器。這一方法充分發(fā)揮了傳統(tǒng)光刻技術和共價鍵鍵合技術協(xié)同效應，該器件突破了5 mm以下微小像元的高密度集成難題，為高效制備MicroLED全彩色器件提供了可行途徑。
超表面是一種人造納米結(jié)構經(jīng)過周期規(guī)律排列后形成的光學結(jié)構層，通過納米結(jié)構與遠場光的自旋軌道耦合效應，實現(xiàn)入射波在亞波長尺度上的振幅、偏振和相位調(diào)制，將其設計和制備在MicroLED陣列表面可以實現(xiàn)顏色轉(zhuǎn)化，并且可以同時對器件的發(fā)光角和偏振等特性實現(xiàn)可控調(diào)制。這種技術可以總結(jié)為微納光學結(jié)構耦合實現(xiàn)了MicroLED光發(fā)射信息的空間光場調(diào)制。
在器件應用上，MicroLED顯示擁有更快的響應速度、更大的可視角、更寬的顯示色域、超高的發(fā)光亮度和更長的器件使用壽命。進入21世紀以來，國內(nèi)外企業(yè)不斷加大對MicroLED的研發(fā)投入，近年來該技術已取得諸多創(chuàng)新成果。芯元基攻克了像素間距7.5 mm MicroLED芯片的陣列鍵合工藝，實現(xiàn)了9.91 mm (0.39英寸)單色MicroLED微顯示屏。JBD開發(fā)AIGalnP紅光MicroLED，突破了100萬nit大關，刷新業(yè)界記錄。諾視科技報道了先鍵合后刻蝕的垂直堆疊技術，實現(xiàn)3 mm (0.12英寸)MicroLED全彩色動態(tài)圖像顯示，最小像元為1.5 mm。但是如今受制于芯片良率、巨量轉(zhuǎn)移等因素，MicroLED的制造成本仍然居高不下，未來仍需進一步的技術突破以實現(xiàn)“提效降本”。
總的來說，本文對MicroLED全彩化顯示技術所使用的色轉(zhuǎn)換技術進行了分類總結(jié)，進一步對比分析了相關技術的優(yōu)缺點，探討了相關技術在推動新型顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要意義。可以預見，MicroLED技術將在未來顯示行業(yè)中發(fā)揮關鍵作用,為用戶帶來更加卓越的視覺體驗，并推動相關領域的持續(xù)發(fā)展，成為下一代顯示技術的主流選擇。
部分圖表
圖1 熒光粉色轉(zhuǎn)換MicroLED顯示器的結(jié)構示意圖（圖片來自于文中參考文獻[7]）
圖2 基于光刻技術的全彩MicroLED示意圖
圖3 超表面控制LED發(fā)光示意圖（圖片來自于文中參考文獻[20]）
圖4 MicroLED微顯示器件研發(fā)進展
李梓維 | Li Ziwei教授，博士生導師
李梓維，湖南大學材料科學與工程學院教授，博士，博士生導師，現(xiàn)擔任信息功能材料系系主任、湖南光電集成創(chuàng)新研究院副院長，從事低維半導體、新型光電器件研究。曾榮獲教育部高等學校科學研究優(yōu)秀成果（科學技術）二等獎、科技部顛覆性技術大賽全國優(yōu)勝獎、中國材料研究學會新材料創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型青年學者、湖南省湖湘青年科技人才、北京大學學生五四獎章、湖南大學優(yōu)秀教師新人獎等獎勵和榮譽。
作為項目負責人或子任務負責人主持了科技部“納米前沿”重點研發(fā)計劃，國家自然科學基金重大研究計劃、面上項目及青年基金，湖南省自然科學基金優(yōu)秀青年基金，中國高校產(chǎn)學研創(chuàng)新基金等10余項科研項目。發(fā)展了鈣鈦礦量子點的高穩(wěn)定、低成本制造技術，首次實現(xiàn)了基于量子點光刻工藝集成的MicroLED全彩色微顯示屏，顯示屏發(fā)光亮度超過百萬nit，創(chuàng)造了行業(yè)記錄，支撐軍民兩用可穿戴微顯示裝備的國產(chǎn)化發(fā)展，相關專利技術已完成成果轉(zhuǎn)化，孵化了科技創(chuàng)新公司；提出了手性金屬納米結(jié)構增強低維半導體光與物質(zhì)相互作用機制理念，較早地實現(xiàn)了偏振響應的被動發(fā)光顯示器件和有源光電探測器，相關技術支撐了國家重點研發(fā)計劃、基金委重大項目的論證。
擔任Frontiers of Physics、《湖南大學學報（自然科學版）》青年編委，湖南省工信廳和科技廳新型顯示產(chǎn)業(yè)鏈圖譜專家，國家級人才項目會評專家，國家重點研發(fā)計劃評審專家，國家級和省部級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目評審專家，在Adv. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano、Innovation等SCI國際期刊發(fā)表學術論文50余篇，申請發(fā)明專利20項，授權10項。
（來源： 南通大學學報自然科學版 ）
