中科院長春光機所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室梁靜秋研究團(tuán)隊探索了幾種全彩色Micro-LED微顯示的方法。

Micro-LED 顯示技術(shù)是近年來繼OLED 顯示技術(shù)后最受關(guān)注的平板顯示技術(shù)。作為固體主動發(fā)光器件，Micro-LED具有工作電壓低、發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定可靠、工作溫度范圍寬等優(yōu)點，在電視、電腦、微型投影機、無掩膜光刻、手機、手表、AR、VR 等中小型和微型顯示器件中具有重要的應(yīng)用需求。

Micro-LED在2000年左右被首次提出。2004年，英國斯特克萊德大學(xué)研究團(tuán)隊使用干法刻蝕技術(shù)制作出GaN基藍(lán)光Micro-LED陣列，像素大小為20μm，像素數(shù)為128×96。2006年，長春光機所梁靜秋研究團(tuán)隊利用分層濕法腐蝕制備了AlGaInP紅光Micro-LED陣列，像素大小為16μm×20μm，像素數(shù)量為1000×818。2011年，美國德克薩斯州立大學(xué)研究團(tuán)隊制作出像素大小為15μm的GaN基綠光Micro-LED陣列，像素數(shù)為640×480。2014年，蘋果公司收購Lux Vue，正式入場Micro-LED的技術(shù)研究，Micro-LED技術(shù)也進(jìn)入了大眾的視野。

在Micro-LED 器件發(fā)展過程中，國際上的研究工作多集中于紅光、藍(lán)綠光和紫外光等單色Micro-LED 器件的結(jié)構(gòu)、制作工藝、器件特性等方面。圖1以藍(lán)寶石襯底外延片為例，給出了Micro-LED的結(jié)構(gòu)和簡要制備流程。外延層通常包括 GaN 緩沖層、n 型 GaN、InGaN/GaN 多量子阱、AlGaN 電子阻擋層和 p- GaN 層等。Micro LED的制作流程通常包括ICP臺面刻蝕、n電極金屬沉積、SiO2 層沉積、p電極沉積及退火等。

圖 1 Micro-LED的簡要制備流程

隨著對Micro-LED 顯示器件應(yīng)用需求的日益迫切，全彩色Micro-LED 器件制備技術(shù)也逐漸成為了研究熱點。常規(guī)的紅、綠、藍(lán)三色LED通常不能在同一基板上同時生長，迄今為止，大多數(shù)的研究主要集中在單色顯示方面。為了實現(xiàn)全彩色Micro-LED微顯示，梁靜秋團(tuán)隊的研究人員進(jìn)行了如下探索。

1.三色集成全彩色Micro-LED微顯示

通過轉(zhuǎn)移紅綠藍(lán)三色Micro-LED發(fā)光芯片到硅基驅(qū)動電路，制作了全彩色可獨立尋址微型顯示器件。使用硅片作為基底，通過光刻和磁控濺射制造金屬化圖案，金屬化圖案由金屬焊盤和導(dǎo)線組成。顯示器件的每個像素由紅色，綠色和藍(lán)色Micro-LED芯片組成。圖2為制作的Micro-LED微顯示器，紅綠藍(lán)三色從上至下行掃描整個顯示陣列。

圖 2 Micro-LED微顯示器

紅綠藍(lán)Micro-LED芯片均為倒裝芯片，大小形狀相同或相近，采用倒裝鍵合工藝制作，具有良好的工藝一致性，而且制作周期短，效率高。由于無需引線鍵合，陽極焊盤可以設(shè)置在Micro-LED的下面，有利于進(jìn)一步減小全彩像素單元尺寸。這種微顯示器具有高亮度和寬工作溫度范圍的特點，在室內(nèi)/室外應(yīng)用中具有巨大的潛力。

2.單片集成量子點Micro-LED微顯示器件

通過采用量子點材料制備了匹配藍(lán)光Micro-LED 陣列的量子點色轉(zhuǎn)換層，實現(xiàn)了Micro-LED 陣列器件全彩化。全彩器件由藍(lán)光Micro-LED、紅光量子點、綠光量子點組成。藍(lán)光Micro-LED同時作為激發(fā)光照射到量子點材料，分別輻射出紅光和綠光，如圖3所示。

圖 3 單片集成量子點Micro-LED微顯示器示意圖

量子點色轉(zhuǎn)換層基板的制備流程如下。首先，在透明玻璃基板表面蒸鍍長波通濾光膜，通過飛秒激光對濾光膜層分區(qū)刻蝕；然后，在濾光膜層表面制備PDMS聚合物膜層；最后，在其上制備紅光和綠光量子點像素單元。將制備的色轉(zhuǎn)換層與藍(lán)光Micro-LED陣列集成，以實現(xiàn)全彩顯示。圖4為有無濾光膜情況下的單片集成量子點Micro-LED微顯示陣列對比。無濾光膜時，大量藍(lán)光穿透量子點色轉(zhuǎn)換層，產(chǎn)生大量藍(lán)光背景光，造成量子點像素單元發(fā)光時色純度降低，影響了器件顯示能力；而有濾光膜后，濾光膜有效抑制了藍(lán)光出射，提高了紅光和綠光像素單元發(fā)光色純度。

圖 4 無濾光膜和有濾光膜時的單片集成量子點Micro-LED微顯示器陣列

通過無毒InP/ZnS核殼量子點材料實現(xiàn)基于藍(lán)光Micro-LED陣列的全彩色顯示器件，可以發(fā)揮環(huán)境友好型量子點材料優(yōu)異的光致發(fā)光特性，提升全彩Micro-LED顯示器件的顯示品質(zhì)。

3. 三色合成Micro-LED微投影顯示

分別制作紅、綠、藍(lán)單片Micro-LED顯示陣列，通過光學(xué)系統(tǒng)合光并投影到接收屏上，實現(xiàn)Micro-LED全彩微投影顯示。

圖 5 Micro-LED微投影顯示示意圖

紅光Micro-LED顯示陣列由AlGaInP-LED制作。通過刻蝕、填充正面與背面隔離溝道、沉積p電極、n電極和退火等工藝制作紅光Micro-LED顯示陣列，顯示效果如圖6所示。綠光與藍(lán)光Micro-LED顯示陣列均采用藍(lán)寶石襯底的GaN外延片，制作流程如圖1所示。

圖 6 紅光Micro-LED顯示陣列

光學(xué)系統(tǒng)作為Micro-LED微投影顯示的關(guān)鍵，對成像效果有著至關(guān)重要的作用。微投影系統(tǒng)將顯示芯片上的圖像真實地加以還原，在投影屏幕上投射出清晰畫面。圖7為Micro-LED微投影顯示光學(xué)系統(tǒng)示意圖。該光學(xué)系統(tǒng)具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，投影效果好，易加工生產(chǎn)等諸多優(yōu)勢。

圖 7 Micro-LED微投影顯示光學(xué)系統(tǒng)示意圖

挑戰(zhàn)與展望

Micro-LED全彩微顯示的實現(xiàn)面臨的一些挑戰(zhàn)：

（1）如何滿足Micro-LEDs批量制造、轉(zhuǎn)移、集成技術(shù)和裝備需求；

（2）如何提高M(jìn)icro-LEDs良率；

（3）適用于Micro-LED微顯示的高效低成本有源驅(qū)動方案；

（4）如何提高基于量子點的Micro-LED器件壽命。

雖然Micro-LED微顯示技術(shù)也許在短時間內(nèi)還不能成為主流顯示技術(shù)，但經(jīng)過科研人員的共同努力，會有越來越多的技術(shù)得以突破，而Micro-LED微顯示技術(shù)也終將會推動顯示行業(yè)繼續(xù)蓬勃發(fā)展。