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Micro-LED與量子點顯示技術

　　Micro-LED是一種由微米級LED發(fā)光像元組成的陣列器件，是繼LCD、OLED之后的最有潛力的下一代顯示技術。

　　該技術自出現(xiàn)以來迅速成為學術界和產(chǎn)業(yè)界的關注焦點，目前已吸引全球兩百余家單位投入研發(fā)，包括蘋果、三星、索尼、谷歌等消費電子行業(yè)巨頭，以及斯坦福大學、耶魯大學、香港科技大學、臺灣交通大學、南方科技大學等知名學府。

　　近日，國際期刊Nature子刊《Light: Science & Applications》刊登由南方科技大學劉召軍博士、臺灣交通大學郭浩中博士、香港城市大學何志浩博士等合作撰寫的Micro-LED技術綜述文章。

　　文章系統(tǒng)全面的討論了Micro-LED技術的發(fā)展中出現(xiàn)的重要突破性進展與重要科學技術問題，從外延生長與器件制備、巨量轉(zhuǎn)移、單片式集成、量子點色轉(zhuǎn)換、大面積顯示等五個方面進行了深入討論。

　　同時該文還展望了Micro-LED與量子點技術在新型微顯示器件、AR/VR、可見光通訊等領域的應用前景以及面臨的挑戰(zhàn)。

　　研究背景

　　低成本高效率的新型Micro-LED顯示技術是下一代超高清顯示與全彩色柔性顯示的實現(xiàn)途徑。

　　在過去的近20年中Micro-LED技術從出現(xiàn)到爆發(fā)，取得了諸多令人矚目的研究成果，但在其材料生長、器件設計與制備、封裝與驅(qū)動等環(huán)節(jié)仍存在不少科學技術問題需要解決，如：外延生長中缺陷態(tài)密度與波長一致性的控制、結(jié)合量子點材料實現(xiàn)全彩色顯示、“邊緣效應”與“尺寸效應”引起的外部量子效率改變、器件精準鍵合與巨量轉(zhuǎn)移、電流型有源尋址與灰度等級實現(xiàn)、壞點檢測技術與修復技術等。

　　量子點作為一種新興的發(fā)光材料備受關注，并被作為實現(xiàn)全彩色化Micro-LED顯示的一條重要途徑。在此過程中量子點材料的光吸收與發(fā)射波長、轉(zhuǎn)換效率、與Micro-LED的集成方式、穩(wěn)定性與壽命等均為學術界和產(chǎn)業(yè)界關注的問題。本文中對上述問題進行了系統(tǒng)而深入的討論。

　　創(chuàng)新研究

　　3.1Micro-LED的發(fā)展

　　文章中展示了自2007年開始至今開發(fā)出來的Micro-LED樣機每英寸像素數(shù)量(PPI: Pixel Per Inch)的發(fā)展趨勢路線圖，并指出目前在2000 PPI以上大面積全彩色Micro-LED顯示的研究中仍然面臨一些列的問題，這給實現(xiàn)全面量產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)。量子點色轉(zhuǎn)換技術可以與Micro-LED相結(jié)合，可以在同一襯底上實現(xiàn)全彩色化顯示，這一方法逐漸成為全彩色Micro-LED顯示的主流。

　　3.2LED外延生長與器件加工

　　在外延生長過程中控制缺陷態(tài)密度對于提升Micro-LED顯示質(zhì)量至關重要。

　　隨著Micro-LED像素器件尺寸的減小，由mesa刻蝕過程中產(chǎn)生的損傷以及器件的表面復合區(qū)域所占的比例相應增加，其外部量子效率(EQE: External Efficiency)呈現(xiàn)顯著降低的趨勢，因此需要通過一些定制化的表面處理技術(Surface Treatment)和鈍化技術(Passivation)來加以改善。目前已報道的通過KOH表面化學處理并結(jié)合原子沉積(ALD: Atomic LayerDeposition)技術，可以使Micro-LED外量子效率由15%提升到22%。

　　3.3巨量轉(zhuǎn)移技術

　　Micro-LED的商業(yè)化面臨的困難主要包括全色化，波長一致性和巨量轉(zhuǎn)移，其中巨量轉(zhuǎn)移對于大面積顯示應用至關重要。Micro-LED的顯示應用需要將大量的三色器件集成在玻璃基板或柔性基板上，并且需要確保每個像素的成品率，因此需要可靠且有效的轉(zhuǎn)移技術。目前已經(jīng)有多種技術來實現(xiàn)巨量轉(zhuǎn)移。代表性的包括微轉(zhuǎn)移印刷(μTP)、卷對卷轉(zhuǎn)移印刷、靜電力吸附技術、激光釋放和液體自組裝等，而單片式集成技術則更加適用于Micro-LED微顯示應用。單片式集成技術是通過特定的方式將氮化鎵Micro-LED像素陣列鍵合在相應的硅基CMOS驅(qū)動電路芯片上，是一種異質(zhì)集成技術。研究人員通過采用倒裝焊(Flip-Chip Bonding)和各向異性導電膠(ACF)的方式，實現(xiàn)了Micro-LED微顯示。

　　3.4量子點色轉(zhuǎn)換技術

　　基于氮化鎵材料的量子阱結(jié)構(gòu)能夠達到較高的藍光發(fā)光效率，但由于外延生長中組分濃度的限制難以實現(xiàn)紅光發(fā)光。而量子點材料具備優(yōu)良的紅光發(fā)光特性，因此可以替代傳統(tǒng)的紅光LED來實現(xiàn)全彩色Micro-LED顯示。臺灣交通大學等研究團隊通過微納加工工藝制備了納米環(huán)(Nanoring)結(jié)構(gòu)，通過納米環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁和外壁與量子點充分接觸顯著提高了量子點的轉(zhuǎn)換效率，并可以通過調(diào)整納米環(huán)的墻壁寬度調(diào)控發(fā)光波長，實現(xiàn)從藍光波長(480nm)到綠光波長(535nm)的調(diào)控。