解析Micro-LED技術(shù)在各大領(lǐng)域的應(yīng)用前景及面臨的挑戰(zhàn)

Micro-LED是一種由微米級(jí)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(shù)。

該技術(shù)自出現(xiàn)以來迅速成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)，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(fèi)電子行業(yè)巨頭，以及斯坦福大學(xué)、耶魯大學(xué)、香港科技大學(xué)、臺(tái)灣交通大學(xué)、南方科技大學(xué)等知名學(xué)府。

近日，國(guó)際期刊Nature子刊《Light： Science & Applications》刊登由南方科技大學(xué)劉召軍博士、臺(tái)灣交通大學(xué)郭浩中博士、香港城市大學(xué)何志浩博士等合作撰寫的Micro-LED技術(shù)綜述文章。

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

同時(shí)該文還展望了Micro-LED與量子點(diǎn)技術(shù)在新型微顯示器件、AR/VR、可見光通訊等領(lǐng)域的應(yīng)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(shù)是下一代超高清顯示與全彩色柔性顯示的實(shí)現(xiàn)途徑。

在過去的近20年中Micro-LED技術(shù)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(zhǎng)、器件設(shè)計(jì)與制備、封裝與驅(qū)動(dòng)等環(huán)節(jié)仍存在不少科學(xué)技術(shù)問題需要解決，如：外延生長(zhǎng)中缺陷態(tài)密度與波長(zhǎng)一致性的控制、結(jié)合量子點(diǎn)材料實(shí)現(xiàn)全彩色顯示、“邊緣效應(yīng)”與“尺寸效應(yīng)”引起的外部量子效率改變、器件精準(zhǔn)鍵合與巨量轉(zhuǎn)移、電流型有源尋址與灰度等級(jí)實(shí)現(xiàn)、壞點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)與修復(fù)技術(shù)等。

量子點(diǎn)作為一種新興的發(fā)光材料備受關(guān)注，并被作為實(shí)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(diǎn)材料的光吸收與發(fā)射波長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率、與Micro-LED的集成方式、穩(wěn)定性與壽命等均為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的問題。本文中對(duì)上述問題進(jìn)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(jī)每英寸像素?cái)?shù)量（PPI： Pixel Per Inch）的發(fā)展趨勢(shì)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(shí)現(xiàn)全面量產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)。量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換技術(shù)可以與Micro-LED相結(jié)合，可以在同一襯底上實(shí)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(zhǎng)與器件加工

在外延生長(zhǎng)過程中控制缺陷態(tài)密度對(duì)于提升Micro-LED顯示質(zhì)量至關(guān)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(fù)合區(qū)域所占的比例相應(yīng)增加，其外部量子效率（EQE： External Efficiency）呈現(xiàn)顯著降低的趨勢(shì)，因此需要通過一些定制化的表面處理技術(shù)（Surface Treatment）和鈍化技術(shù)（Passivation）來加以改善。目前已報(bào)道的通過KOH表面化學(xué)處理并結(jié)合原子沉積（ALD： Atomic LayerDeposition）技術(shù)，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(shù)

Micro-LED的商業(yè)化面臨的困難主要包括全色化，波長(zhǎng)一致性和巨量轉(zhuǎn)移，其中巨量轉(zhuǎn)移對(duì)于大面積顯示應(yīng)用至關(guān)重要。Micro-LED的顯示應(yīng)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(gè)像素的成品率，因此需要可靠且有效的轉(zhuǎn)移技術(shù)。目前已經(jīng)有多種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)巨量轉(zhuǎn)移。代表性的包括微轉(zhuǎn)移印刷（μTP）、卷對(duì)卷轉(zhuǎn)移印刷、靜電力吸附技術(shù)、激光釋放和液體自組裝等，而單片式集成技術(shù)則更加適用于Micro-LED微顯示應(yīng)用。單片式集成技術(shù)是通過特定的方式將氮化鎵Micro-LED像素陣列鍵合在相應(yīng)的硅基CMOS驅(qū)動(dòng)電路芯片上，是一種異質(zhì)集成技術(shù)。研究人員通過采用倒裝焊（Flip-Chip Bonding）和各向異性導(dǎo)電膠（ACF）的方式，實(shí)現(xiàn)了Micro-LED微顯示。

3.4量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換技術(shù)

基于氮化鎵材料的量子阱結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到較高的藍(lán)光發(fā)光效率，但由于外延生長(zhǎng)中組分濃度的限制難以實(shí)現(xiàn)紅光發(fā)光。而量子點(diǎn)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(shí)現(xiàn)全彩色Micro-LED顯示。臺(tái)灣交通大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)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(diǎn)充分接觸顯著提高了量子點(diǎn)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(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光波長(zhǎng)（480nm）到綠光波長(zhǎng)（535nm）的調(diào)控。

3.5Micro-LED的多樣化應(yīng)用場(chǎng)景

Micro-LED以其高亮度、高效率、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，可以勝任從大面積顯示器如廣告屏、電視等，到中小尺寸顯示器如平板電腦、手機(jī)、手表，再到可穿戴顯示器如AR/VR等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。

在作為顯示器件的同時(shí)，還可以通過在Micro-LED像素上加載特定頻率的數(shù)據(jù)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)光通信功能，目前最 高傳輸速度可以達(dá)到11.95 Gbit/s，并且還在持續(xù)提高中。目前多項(xiàng)相關(guān)研究正在進(jìn)行中。
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