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Micro-LED與量子點顯示技術

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

  該技術自出現以來迅速成為學術界和產業界的關注焦點,目前已吸引全球兩百餘家單位投入研發,包括蘋果、三星、索尼、穀歌等消費電子行業巨頭,以及斯坦福大學、耶魯大學、香港科技大學、台灣交通大學、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、台灣交通大學郭浩中博士、香港城市大學何誌浩博士等合作撰寫的Micro-LED技術綜述文章。

  文章係統全麵的討論了Micro-LED技術的發展中出現的重要突破性進展與重要科學技術問題,從外延生長與器件製備、巨量轉移、單片式集成、量子點色轉換、大麵積顯示等五個方麵進行了深入討論。

  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麵臨的挑戰。

  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途徑。

  在過去的近20年中Micro-LED技術從出現到爆發,取得了諸多令人矚目的研究成果,但在其材料生長、器件設計與製備、封裝與驅動等環節仍存在不少科學技術問題需要解決,如:外延生長中缺陷態密度與波長一致性的控製、結合量子點材料實現全彩色顯示、“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移、電流型有源尋址與灰度等級實現、壞點檢測技術與修複技術等。

  量子點作為一種新興的發光材料備受關注,並被作為實現全彩色化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射波長、轉換效率、與Micro-LED的集成方式、穩定性與壽命等均為學術界和產業界關注的問題。本文中對上述問題進行了係統而深入的討論。

  創新研究

  3.1Micro-LED的發展

  文章中展示了自2007年開始至今開發出來的Micro-LED樣機每英寸像素數量(PPI: Pixel Per Inch)的發展趨勢路線圖,並指出目前在2000 PPI以上大麵積全彩色Micro-LED顯示的研究中仍然麵臨一些列的問題,這給實現全麵量產帶來了挑戰。量子點色轉換技術可以與Micro-LED相結合,可以在同一襯底上實現全彩色化顯示,這一方法逐漸成為全彩色Micro-LED顯示的主流。

  

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  3.2LED外延生長與器件加工

  在外延生長過程中控製缺陷態密度對於提升Micro-LED顯示質量至關重要。

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

  

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  3.3巨量轉移技術

  Micro-LED的商業化麵臨的困難主要包括全色化,波長一致性和巨量轉移,其中巨量轉移對於大麵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,並且需要確保每個像素的成品率,因此需要可靠且有效的轉移技術。目前已經有多種技術來實現巨量轉移。代表性的包括微轉移印刷(μTP)、卷對卷轉移印刷、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於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镓Micro-LED像素陣列鍵合在相應的矽基CMOS驅動電路芯片上,是一種異質集成技術。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,實現了Micro-LED微顯示。

  

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  3.4量子點色轉換技術

  基於氮化镓材料的量子阱結構能夠達到較高的藍光發光效率,但由於外延生長中組分濃度的限製難以實現紅光發光。而量子點材料具備優良的紅光發光特性,因此可以替代傳統的紅光LED來實現全彩色Micro-LED顯示。台灣交通大學等研究團隊通過微納加工工藝製備了納米環(Nanoring)結構,通過納米環結構的內壁和外壁與量子點充分接觸顯著提高了量子點的轉換效率,並可以通過調整納米環的牆壁寬度調控發光波長,實現從藍光波長(480nm)到綠光波長(535nm)的調控。

  

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  3.5Micro-LED的多樣化應用場景

  Micro-LED以其高亮度、高效率、低功耗等優點,可以勝任從大麵積顯示器如廣告屏、電視等,到中小尺寸顯示器如平板電腦、手機、手表,再到可穿戴顯示器如AR/VR等多個領域的應用場景。

  在作為顯示器件的同時,還可以通過在Micro-LED像素上加載特定頻率的數據信號,從而實現光通信功能,目前最 高傳輸速度可以達到11.95 Gbit/s,並且還在持續提高中。目前多項相關研究正在進行中。

  

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