MicroLED 顯示技術發展概述

徐 峰

（揚州大學物理科學與技術學院，江蘇 揚州 225009）

1 MicroLED 顯示技術應用領域

20世紀90年代，日本日亞科學家中村修二成功制備出商用高亮度藍光GaN 基LED，標志著LED 全面商業化的開始。LED 已被廣泛的應用在照明、紫外消毒、顯示背光、三原色全彩顯示、紅外探測等領域。隨著顯示技術的飛速發展，LED 器件也逐漸發揮越 來越 重要的作用。目前，主流顯示技術主要包括：液晶顯示（LCD）、有機發光二極管（OLED）、微縮矩陣化發光二極管（MicroLED）顯示等，其中，MicroLED 顯示被認為是將顛覆傳統的新一代顯示技術，已成為LED 產業領域新的增長和爆發點。MicroLED 顯示相比于其他顯示技術具有自發光、高對比度、高分辨率、高可靠性、壽命長、功耗低等諸多優勢。MicroLED 在大尺寸電視墻顯示器、汽車抬頭數字顯示、智能手表、柔性屏幕、增強及虛擬現實等領域具有巨大的市場應用前景，同時，5G 技術結合8K 顯示將會是MicroLED 在5G 時代浪潮下的最新應用趨勢。

2 MicroLED 顯示技術發展歷程

MicroLED 顯示技術是基于常規LED 顯示技術基礎上發展而來。1999年，Jin 等人首次通過感應耦合等離子體（ICP）干法刻蝕工藝制備了直徑為12μm、間距為15μm 的MicroLED 陣列器件，研究發現相比于常規LED 器件，MicroLED 陣列可以承受更高的工作電流密度，這可以歸因于MicroLED 器件電極接觸的方式及小尺寸器件更有效的電流擴散效應，器件在8 mA 驅動電流下的發光功率達到20μW，首次驗 證了MicroLED器件在顯示領域的適用性。2006 年，Liang 等人采用濕法刻蝕工藝結合襯底減薄技術、介質 橋技術成功實現了MicroLED 器 件陣列的光電隔離，制備出尺寸為16×16μm2的AlGaInP 基橙光LED 微顯示器件。2017年，Yeo 采用不同于傳統共陰極器件的電路布局對可獨立尋址n 電極的MicroLED 器件陣列進行了制備研究，獲得了MicroLED 器件調制速度的顯著提高。2018 年，Wong 等人研究了不同鈍化方式對10～100μm 不同尺寸MicroLED 器件反向漏電性能的影響，發現各器件發光效果存在較大差異，研究表明，側壁損傷對小尺寸器件具有更大的影響，器件反向漏電更為嚴重，而進一步通過在器件表面沉積氧化層鈍化器件側壁，能有效緩解器件反向漏電現象，使面積為20×20μm2的MicroLED 器件反向漏電密度降至1.1×10-3A/cm2。

上述各項工作均是以基于藍寶石襯底的正裝LED 結構為研究基礎，但傳統正裝LED 結構存在工作時散熱較 差的實際問題，且電流擁擠現象會隨電流密度增大而顯著增強。因此，為了有效改善MicroLED 器件由于電流擁擠現導致的散熱問題，部分課題組開展了基于垂直及倒裝結構MicroLED 的制備研究工作，實驗證明器件結構的優化可以顯著提高MicroLED 器件的光電性能。2009年，Gong 等人成功制備了可矩陣尋址的倒裝結構MicroLED 陣列器件，并對比分析了其與傳統正 裝結構器件的光電特性差異，發現倒裝結構可以在更高的注入電流密度條件下正常工作，因此可以獲得更高的光輸出功率密度。2018年，Kim 等人采用多級金屬化工藝，實現了基于倒裝芯片結構的無源矩陣 驅動MicroLED 像素陣列，研究發現具有不同p 型電極覆蓋面積的受控與非受控MicroLED 陣列具有十分相近的光學特性。2019年，Chen 等人通過干法刻蝕方法制備了像素尺寸為8μm 的960×540藍光顯示陣列器件，20 mA 下器件的正向電壓低至2.73V，外量子效率達到13.3%，顯示分辨率達到2000 PPI。同一年，Kou 等人研究了像素為20～100μm MicroLED 器件光電特性，發現器件性能受側壁損傷影響，EQE 及光功率密度隨器件有效工作面積減小而降低，當器件尺寸為20μm、50μm、100μm 時，側壁損傷導致其有效面積占比分別為36%、75%、85%。

3 MicroLED 顯示技術發展趨勢

MicroLED 器件相比于LCD、OLED 等傳統顯示器件具有更大的性能優勢，如高亮度、高響應速率、低功耗、長壽命等，因此在光顯示技術領域中有著極大的市場應用前景，此外，在通信技術領域，MicroLED 具有傳輸速度更快、調制帶寬更寬、傳輸信息量更大，能夠用于可見光通信中的光信號源，這將會進一步推進可見光通信的發展，目前國際上報道的單顆MicroLED 最高通信速率已接近10 Gb/s。隨著全色微顯示、可見光通信市場的快速發展，人們對高光效、高分辨率、低功耗MicroLED 顯示器件的需求日益迫切，因此需要進一步探索優化MicroLED 器件的新型制備工藝。

4 新型MicroLED 關鍵制備技術探究

通過基于離子注入的高電阻區域制備研究，研究發現低注入能量條件下氫（H）離子注入主要是以注入損傷補償作用為主，但值得關注的是，H 離子注入氮化鎵后產生的晶格缺陷密度較低，導致注入區域的方塊電阻極低，而較重的氟（F）離子在高注入能量條件下，注入區域方塊電阻能夠達到H 離子的1 014倍，更有利于實現器件的有效電學隔離。與此同時，相比于傳統的干法刻蝕器件，基于F 離子注入的MicroLED 陣列器件下具有更低的反向漏電流、更低的器件結溫、更高的光輸出功率密度，實際發光面積占總面積最高為90%，外量子效率提高約30%。同時，F 離子多次注入工藝器件能夠獲得更好的電學隔離效果以及熱耗散機制，因此，反向漏電流密度更低、光輸出密度更高。

此外，MicroLED 陣列器件的外量子效率會隨像素尺寸變化而變化，這主要是因為小尺寸陣列器件的缺陷密度顯著上升，導致器件俄歇復合等非輻射復合機制增強，進行降低了器件的外量子效率。此外，但隨器件尺寸減小，量子效率drooping 效應得到了改善，這是由于增強的俄歇復合導致量子阱載流子濃度降低，從而減弱了高電流注入條件下的其他高階非輻射復合機制，從而緩解了小尺寸器件的效率drooping 效應。

5 結束語

MicroLED 顯示技術正處于快速崛起的起步階段，各大商業巨頭已紛紛開始對MicroLED 廠商進行大規模投資與收購，如蘋果收購研發MicroLED 顯示面板技術的LuxVue 科技公司，Facebook 收購了InfiniLED 新 創公司，而日亞化學公司則在MicroLED 領域耕耘超過10年，擁有諸多專利儲備，未來將加速推動MicroLED的商品化進程。相關權威網站發布的數據顯示，全球MicroLED 市場規模將從2019年的27億美元增長到2022年的110億美元。相信MicroLED 顯示技術會應用到更多的場景和領域，同時市場上也會涌現出更多種類的基于 MicroLED 顯示技術的新產品，將給帶給消費者更便捷、更豐富、更愉悅的顯示體驗。