量子點像素堆疊的全彩Micro-LED單片集成技術

　　一、研究背景：

　　微(wei)型(xing)發(fa)(fa)光(guang)二(er)極管(Micro-LED)是(shi)基于氮(dan)化鎵(jia)等無(wu)機外延材料制備的(de)電致(zhi)發(fa)(fa)光(guang)器(qi)件(jian)(jian)，其尺寸通常小(xiao)(xiao)于50微(wei)米。由于Micro-LED器(qi)件(jian)(jian)在(zai)亮度(du)、集成(cheng)度(du)和穩(wen)定性方面表(biao)現出色(se)，被譽(yu)為下一代新型(xing)顯(xian)(xian)示技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)關鍵發(fa)(fa)光(guang)單(dan)元。目前(qian)，Micro-LED單(dan)色(se)微(wei)顯(xian)(xian)示技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)已較為成(cheng)熟，但全彩(cai)微(wei)顯(xian)(xian)示仍面臨(lin)諸多技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)挑戰，包括微(wei)小(xiao)(xiao)尺寸像(xiang)素轉(zhuan)移困難(nan)、垂直堆疊集成(cheng)工(gong)藝復(fu)雜等。近年來(lai)，色(se)轉(zhuan)換(huan)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)被證實是(shi)一種(zhong)有(you)效(xiao)實現Micro-LED全彩(cai)顯(xian)(xian)示的(de)策略(lve)，該技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)需要(yao)將色(se)轉(zhuan)換(huan)材料陣列集成(cheng)到藍(lan)光(guang)Micro-LED芯片上。然而，現有(you)報(bao)道的(de)Micro-LED全彩(cai)微(wei)顯(xian)(xian)示器(qi)件(jian)(jian)主要(yao)面臨(lin)“藍(lan)背光(guang)泄露嚴重”和“彩(cai)色(se)像(xiang)素集成(cheng)良率低”等問(wen)(wen)題，這些問(wen)(wen)題是(shi)制約行(xing)業發(fa)(fa)展的(de)瓶頸問(wen)(wen)題。

　　二、文章簡介：

　　湖南大學潘安練教授、李梓維教授、黃建華博士等人聯合湖南師范大學、諾視科技、晶能光電多家單位，開發了量子點色轉換像素集成的Micro-LED全彩集成工藝，實現了超高亮度、超高像素密度的Micro-LED全彩微顯示芯片。本團隊選擇具有氯磺酰基和硅烷基團的配體分子作為量子點的合成配體和表面處理材料，強化了量子點光刻膠的穩定性和量子點像素的界面粘附力，實現了亞5微米量子點像素高密度陣列集成。制備的0.39英寸微，可以動態的播放圖片和視頻，最高亮度超過40萬尼特，像素密度達到3300 PPI，具有130.4%NTSC的寬色域，超高亮度工作下有效工作壽命超過1000小時，超越商用OLED性能。這些成果將成熟的集成電路技術推廣到微顯示器件的制造中，也為全彩Micro-LED的產業化進程指明了方向，相關成果發表在Advanced Materials 。

　　圖1.量子點像素堆疊的全彩Micro-LED單(dan)片集成技術示意圖。Micro-LED全彩集成存在“藍色背光泄漏”和“彩色像素集成良率低”兩大難題。

　　三、研究內容：

　　1、高光效的量子點光刻膠

　　為了有效阻(zu)止藍(lan)背(bei)光(guang)泄露問(wen)題，需要在有限(xian)厚度的色轉(zhuan)換層中，實(shi)現(xian)更多的藍(lan)光(guang)吸收(shou)(shou)，即提高(gao)量子點的光(guang)吸收(shou)(shou)和光(guang)致熒光(guang)轉(zhuan)換效率。在鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)量子點合(he)成工藝中，研(yan)究團隊(dui)優(you)(you)選了2-(4-氯磺酰基苯基)乙(yi)基三(san)甲氧基硅(gui)烷(CES)作為表(biao)面配體，相比(bi)于傳(chuan)統的表(biao)面配體材料，CES的官能團分(fen)子(S=O)具有更強的電(dian)負性(xing)，易于與前驅體鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)小(xiao)分(fen)子形成化(hua)學鍵保護，實(shi)現(xian)小(xiao)尺寸(cun)(平均尺寸(cun)10 nm)、高(gao)均一性(xing)的量子點合(he)成制(zhi)備。穩態熒光(guang)光(guang)譜測試和瞬態光(guang)吸收(shou)(shou)測試表(biao)明，CES配體鈍(dun)化(hua)的鈣(gai)(gai)鈦(tai)礦(kuang)量子點，具有更高(gao)的熒光(guang)量子產率、更長的激子光(guang)壽命和優(you)(you)異的光(guang)致發光(guang)效率。

 　　圖2. 鈣鈦礦量子點(dian)合成(cheng)工藝、形貌(mao)表征以及(ji)發光性能(neng)測試。

　　2、量子點色轉換像素堆疊工藝

　　亞5微米(mi)微小(xiao)尺寸量(liang)子點像素(su)光(guang)刻集成時，由于界面(mian)粘(zhan)附(fu)(fu)力不(bu)足(zu)易導(dao)致像素(su)不(bu)可控“掉膠(jiao)”，嚴重影響像素(su)集成制造良率。研究團隊發(fa)展了表面(mian)預(yu)處理工藝，通過在藍(lan)光(guang)Micro-LED矩陣像素(su)上(shang)旋涂(tu)CES配體分子實(shi)現表面(mian)預(yu)處理，配體分子在紫外光(guang)刻曝光(guang)下與量(liang)子點光(guang)刻膠(jiao)形成化學(xue)共(gong)價鍵(jian)成鍵(jian)，顯著(zhu)增強(qiang)像素(su)界面(mian)的粘(zhan)附(fu)(fu)力，實(shi)現亞5微米(mi)微小(xiao)尺寸像素(su)的晶圓(yuan)級圖(tu)案化制造，良率高(gao)達100%。

　　圖3. 量子點色轉換(huan)像素堆疊工藝中(zhong)的表面(mian)預處(chu)理工藝，處(chu)理后實現了界面(mian)公價化學鍵(jian)成鍵(jian)。

　　3、量子點像素堆疊的Micro-LED全彩單片集成技術

　　全彩(cai)Micro-LED單片(pian)集成制造需要開發(fa)一系(xi)列半導體集成工(gong)(gong)(gong)藝，研究團(tuan)隊采用(yong)硅基(ji)氮(dan)化(hua)鎵晶圓作為發(fa)光(guang)芯(xin)(xin)片(pian)，先(xian)實(shi)現(xian)發(fa)光(guang)芯(xin)(xin)片(pian)與IC驅動芯(xin)(xin)片(pian)的集成鍵合，再利(li)用(yong)微納工(gong)(gong)(gong)藝加(jia)工(gong)(gong)(gong)制備(bei)藍光(guang)發(fa)光(guang)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)。通過在像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)間沉積混合金屬“隔離墻”微結構(gou)，可(ke)以(yi)有效(xiao)(xiao)隔離像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)間的光(guang)串擾，并實(shi)現(xian)色轉(zhuan)換像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)垂直出光(guang)光(guang)效(xiao)(xiao)提升。在5×5μm藍光(guang)發(fa)光(guang)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)區域制了(le)備(bei)5-6微米的量子點色轉(zhuan)換像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)層，實(shi)現(xian)了(le)100%藍背光(guang)吸(xi)收，獲得超(chao)高亮度的紅(hong)、綠(lv)像(xiang)(xiang)(xiang)素(su)(su)發(fa)光(guang)陣(zhen)列。

　　圖4.量子點像素(su)(su)堆疊的(de)Micro-LED全彩(cai)單片(pian)集成技術，其中光阻擋結(jie)構有效實現了(le)像素(su)(su)光串擾隔(ge)離。

　　4、0.39英寸的Micro-LED全彩微顯示芯片

　　研究團(tuan)隊通過(guo)優(you)化光(guang)(guang)(guang)刻工藝(yi)，經過(guo)多(duo)次(ci)對準(zhun)曝光(guang)(guang)(guang)實(shi)(shi)現了紅、綠(lv)量(liang)子(zi)點(dian)像素陣列堆疊，制造了0.39英寸(cun)的(de)Micro-LED全彩微顯(xian)示(shi)芯片。在硬幣四分之一大(da)(da)小的(de)物理尺寸(cun)上(shang)，實(shi)(shi)現了1024×780個高(gao)密度(du)像素的(de)可控動(dong)態顯(xian)示(shi)，通過(guo)視頻數據線連接(jie)電(dian)腦或手(shou)機實(shi)(shi)現畫面播放和(he)現實(shi)(shi)。顯(xian)示(shi)屏展(zhan)現出(chu)大(da)(da)色(se)域、高(gao)色(se)彩純度(du)、高(gao)穩定(ding)等(deng)性(xing)能優(you)勢，相比(bi)于氮化鎵體(ti)系的(de)Micro-LED器(qi)(qi)件、鈣鈦礦(kuang)體(ti)系的(de)發(fa)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)件和(he)量(liang)子(zi)點(dian)色(se)轉換集(ji)成的(de)發(fa)光(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)件，該微顯(xian)示(shi)屏在綠(lv)光(guang)(guang)(guang)和(he)紅光(guang)(guang)(guang)色(se)彩亮度(du)上(shang)遠(yuan)遠(yuan)超于現有技(ji)術(shu)，達到了微顯(xian)示(shi)行(xing)業(ye)的(de)彩色(se)屏亮度(du)記錄。

　　圖5. 0.39英寸的彩色Mirco-LED顯示屏，展(zhan)現出大色域、高(gao)亮度(du)、高(gao)穩定等性能(neng)優勢。

　　四、總結與展望：

　　綜上(shang)所述，本文展示(shi)了(le)一種(zhong)可量產的Micro-LED全彩顯(xian)示(shi)單片(pian)集成策略，實現了(le)極高的峰(feng)值亮(liang)度(du)和(he)有效工作(zuo)壽命。量子(zi)點像(xiang)素堆疊的Micro-LED全彩微(wei)顯(xian)示(shi)芯片(pian)展現了(le)良好(hao)的動態(tai)顯(xian)示(shi)功能效果，具有3300 PPI的高像(xiang)素集成密(mi)度(du)、130.4% NTSC的寬色(se)域(yu)和(he)40萬尼特的峰(feng)值亮(liang)度(du)。這(zhe)項成果是微(wei)顯(xian)示(shi)技術領域(yu)一次里程碑意義(yi)的技術突破(po)，探索了(le)一種(zhong)微(wei)顯(xian)示(shi)芯片(pian)能夠(gou)實現量產制造的產業化路徑。

　　五、致謝：

　　感謝國家重點研發計劃、國家自(zi)然科(ke)學基金(jin)、湖(hu)南省自(zi)然科(ke)學基金(jin)的資(zi)助。

　　Authors:  Jianhua Huang†, Ziwei Li†*, Youliang Zhu†, Liuli Yang, Xiao Lin, Yi Li, Yizhe Wang, Yazhou Wang, Yi Fu, Weidong Xu, Ming Huang, Dong Li, Anlian Pan*

　　Title:  Monolithic Integration of Full-Color Microdisplay Screen with Sub-5 µm Quantum-Dot Pixels

　　Published in: Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202409025