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Micro-LED与量子点显示技术

  Micro-LED是一种由微米级LED发光像元组成的阵列器件,是继LCD、OLED之后的最有潜力的下一代显示技术。

  该技术自出现以来迅速成为学术界和产业界的关注焦点,目前已吸引全球两百余家单位投入研发,包括苹果、三星、索尼、谷歌等消费电子行业巨头,以及斯坦福大学、耶鲁大学、香港科技大学、台湾交通大学、南方科技大学等知名学府。

  近日,国际期刊Nature子刊《Light: Science & Applications》刊登由南方科技大学刘召军博士、台湾交通大学郭浩中博士、香港城市大学何志浩博士等合作撰写的Micro-LED技术综述文章。

  文章系统全面的讨论了Micro-LED技术的发展中出现的重要突破性进展与重要科学技术问题,从外延生长与器件制备、巨量转移、单片式集成、量子点色转换、大面积显示等五个方面进行了深入讨论。

  同时该文还展望了Micro-LED与量子点技术在新型微显示器件、AR/VR、可见光通讯等领域的应用前景以及面临的挑战。

  研究背景

  低成本高效率的新型Micro-LED显示技术是下一代超高清显示与全彩色柔性显示的实现途径。

  在过去的近20年中Micro-LED技术从出现到爆发,取得了诸多令人瞩目的研究成果,但在其材料生长、器件设计与制备、封装与驱动等环节仍存在不少科学技术问题需要解决,如:外延生长中缺陷态密度与波长一致性的控制、结合量子点材料实现全彩色显示、“边缘效应”与“尺寸效应”引起的外部量子效率改变、器件精准键合与巨量转移、电流型有源寻址与灰度等级实现、坏点检测技术与修复技术等。

  量子点作为一种新兴的发光材料备受关注,并被作为实现全彩色化Micro-LED显示的一条重要途径。在此过程中量子点材料的光吸收与发射波长、转换效率、与Micro-LED的集成方式、稳定性与寿命等均为学术界和产业界关注的问题。本文中对上述问题进行了系统而深入的讨论。

  创新研究

  3.1Micro-LED的发展

  文章中展示了自2007年开始至今开发出来的Micro-LED样机每英寸像素数量(PPI: Pixel Per Inch)的发展趋势路线图,并指出目前在2000 PPI以上大面积全彩色Micro-LED显示的研究中仍然面临一些列的问题,这给实现全面量产带来了挑战。量子点色转换技术可以与Micro-LED相结合,可以在同一衬底上实现全彩色化显示,这一方法逐渐成为全彩色Micro-LED显示的主流。

  

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  3.2LED外延生长与器件加工

  在外延生长过程中控制缺陷态密度对于提升Micro-LED显示质量至关重要。

  随着Micro-LED像素器件尺寸的减小,由mesa刻蚀过程中产生的损伤以及器件的表面复合区域所占的比例相应增加,其外部量子效率(EQE: External Efficiency)呈现显著降低的趋势,因此需要通过一些定制化的表面处理技术(Surface Treatment)和钝化技术(Passivation)来加以改善。目前已报道的通过KOH表面化学处理并结合原子沉积(ALD: Atomic LayerDeposition)技术,可以使Micro-LED外量子效率由15%提升到22%。

  

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  3.3巨量转移技术

  Micro-LED的商业化面临的困难主要包括全色化,波长一致性和巨量转移,其中巨量转移对于大面积显示应用至关重要。Micro-LED的显示应用需要将大量的三色器件集成在玻璃基板或柔性基板上,并且需要确保每个像素的成品率,因此需要可靠且有效的转移技术。目前已经有多种技术来实现巨量转移。代表性的包括微转移印刷(μTP)、卷对卷转移印刷、静电力吸附技术、激光释放和液体自组装等,而单片式集成技术则更加适用于Micro-LED微显示应用。单片式集成技术是通过特定的方式将氮化镓Micro-LED像素阵列键合在相应的硅基CMOS驱动电路芯片上,是一种异质集成技术。研究人员通过采用倒装焊(Flip-Chip Bonding)和各向异性导电胶(ACF)的方式,实现了Micro-LED微显示。

  

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  3.4量子点色转换技术

  基于氮化镓材料的量子阱结构能够达到较高的蓝光发光效率,但由于外延生长中组分浓度的限制难以实现红光发光。而量子点材料具备优良的红光发光特性,因此可以替代传统的红光LED来实现全彩色Micro-LED显示。台湾交通大学等研究团队通过微纳加工工艺制备了纳米环(Nanoring)结构,通过纳米环结构的内壁和外壁与量子点充分接触显著提高了量子点的转换效率,并可以通过调整纳米环的墙壁宽度调控发光波长,实现从蓝光波长(480nm)到绿光波长(535nm)的调控。

  

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  3.5Micro-LED的多样化应用场景

  Micro-LED以其高亮度、高效率、低功耗等优点,可以胜任从大面积显示器如广告屏、电视等,到中小尺寸显示器如平板电脑、手机、手表,再到可穿戴显示器如AR/VR等多个领域的应用场景。

  在作为显示器件的同时,还可以通过在Micro-LED像素上加载特定频率的数据信号,从而实现光通信功能,目前最 高传输速度可以达到11.95 Gbit/s,并且还在持续提高中。目前多项相关研究正在进行中。

  

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