基于Micro-LED全彩色微顯示器制造技術研究進展

萬艷麗,田婷芳,張振威

(南昌大學物理與材料學院，南昌 330031)

0 引 言

Micro-LED作為新一代顯示技術，相對于傳統的陰極射線管(cathode-ray tube, CRT)、激光二極管(laser diode, LD)、液晶二極管(liquid crystal diode, LCD)而言，具有高亮度、低能耗、長壽命、高對比度、自發光等優勢[1-2]，可應用于柔性可穿戴[3-4]、8K超高清視頻、光通信[5]、醫療檢測、增強現實(AR)/虛擬現實(VR)等多個領域[6]。Micro-LED一般指像素尺寸小于50 μm的LED，最早在2000年由Jin等[7]制備了第一個micro-LED，其像素尺寸為12 μm，中心間距為50 μm。之后陸續有學者報道出不同規格的LED微顯示陣列，圖1列出了具有代表性的micro-LED研究進展[8-12]。2001年Jiang等[13]制作了分辨率10×10、像素尺寸為12 μm的藍色被動驅動micro-LED，為較早報道的基于Ⅲ族氮化物的micro-LED。2003年Jeon等[14]采用干法刻蝕和自對準隔離等技術制備了像素尺寸為20 μm的GaN基micro-LED，次年該課題組Choi等[15]又報道了分辨率為128×96的LED微顯示陣列，其研究組的方法允許多個GaN基器件直接互聯，且進一步提高了器件的發光性能和均勻性。2006年梁靜秋等[16]制作了像素尺寸為16 μm×20 μm的AlGaInP基紅光micro-LED，分辨率達1 000×818，該方法對GaAs襯底進行腐蝕減薄，有效抑制了襯底對光的吸收，為后續制備高效率紅色micro-LED提供了參考。2015年Jeon等[17]制作了分辨率為12×12、像素尺寸分別為8 μm和12 μm的InGaN基藍光micro-LED，該方法通過PECVD SiO2填充像素間隙和CMP拋光工藝對器件進行了電氣隔離，實現了元件的高均勻性。之后又有研究團隊陸續報道了高分辨率的藍/綠光micro-LED，像素密度達2 000 ppi[18-19]。相比而言，藍/綠光micro-LED的研究已經比較成熟，但高效率的紅光micro-LED鮮有報道，這與紅光的自身材料體系增加了其制造難度有關。2020年Huang等[20]制造和表征了像素尺寸范圍從5～50 μm的AlGaInP基紅光LED微顯示器，不可避免地隨著LED尺寸縮小，效率急劇下降。2021年Amelie等[21]通過在硅基InGaN襯底上生長不同In組分的InGaN結構，成功制備了像素尺寸為10 μm的高效率紅光micro-LED，其研究組首次報道的InGaN基紅光微顯示陣列突破了傳統AlGaInP體系紅光的低效率問題，使用InGaN襯底意味著可以與藍/綠光micro-LED芯片工藝兼容，有望在同一襯底上制備三色micro-LED芯片。此外，InGaN襯底相比于GaAs襯底晶體質量更高、剝離損傷更小，這提高了紅光micro-LED的生產良率。目前，限制InGaN基紅光micro-LED發展的主要因素是光提取效率低和晶格失配的問題。Amelie及其研究組[21]提出的采用外延層沉積技術減少InGaN層應力可以有效提升紅光micro-LED的效率。若有更簡單有效的方法提高InGaN基紅光micro-LED的發光效率，則未來可實現高效率的全彩色微顯示。

隨著單色micro-LED制備技術的逐漸成熟，一些研究者對全彩色微顯示器展開研究。Micro-LED商業化的關鍵技術是全彩色顯示，但由于紅、綠、藍LED微顯示器件基于不同材料體系制備，難以進行小尺寸集成，并且隨著芯片尺寸縮小至微米級，基于AlGaInP四元體系的紅光LED相比于InGaN/GaN基藍綠光LED表面復合速率更快，效率顯著下降至1%左右，載流子損耗明顯[22]。而同樣情況下，藍光微顯示器件隨尺寸的縮小效率下降幅度緩慢得多[23]。此外，生長在GaN基襯底上的紅光LED在制備技術上存在巨大挑戰，原因主要有兩點，其一是極化場導致的量子限制斯塔克效應(QCSE)使其效率下降顯著[24]，其二是InN和GaN之間的晶格失配使外延層中產生大量缺陷[25]。而在AlGaInP基紅光LED中，GaAs襯底對紅光的吸收嚴重限制了其光提取效率[26]。這些挑戰不斷促使研究團隊投身于高效率紅光LED的研究中[27-28]，而不斷涌現出的創新制備方法為micro-LED最終實現全彩化奠定了基礎。各半導體企業也加大布局micro-LED研發，公布了多款產品，如索尼推出的Crystal LED電視、LG推出的163英寸4K micro-LED電視LG MAGNIT和三星推出的The Wall顯示屏等。

本文介紹了micro-LED器件的一般制作方法，對其全彩化技術進行歸納和總結，并討論了其發展中面臨的技術挑戰和未來發展趨勢。

1 Micro-LED制作技術

Micro-LED芯片的結構一般有水平結構、垂直結構、倒裝結構及近年來提出的一些新型結構，其中，相對于水平結構芯片出光效率低、垂直結構芯片制備技術難度大，倒裝結構芯片憑借其高集成、高光效、高散熱等優點被廣泛應用。如圖2所示，以GaN基藍寶石外延片襯底為例，展示了一種倒裝結構micro-LED的制備流程。具體步驟為：(1)制備Cr標記，以便后續工藝進行光刻對準；(2)使用電感耦合等離子體刻蝕至n-GaN層，定義像素發光區域；(3)使用磁控濺射蒸鍍Au/Ni等金屬，制備P、N電極；(4)使用等離子體增強化學氣相沉積SiO2絕緣層，并使用反應離子刻蝕出過孔；(5)沉積Cr/Al等金屬，形成金屬凸點。其中每一步工藝都需要通過光刻得到圖案化的掩膜。最后將圖形化的外延片進行襯底減薄拋光，切割成單獨的芯片，再將其與基于硅基的驅動集成電路陣列進行倒裝鍵合，經打線封裝后一顆完整的LED芯片制備完成。Micro-LED的制作技術會隨著其工藝要求的不同而有所差異，但主要思路都是基于PN結發光的原理下改善其光學和電學性能。

圖2 一種micro-LED制作技術工藝流程圖Fig.2 A flowchart of a micro-LED production technology

2 Micro-LED全彩色方法

紅綠藍(RGB)是色彩中的三原色，可以通過三者之間的不同配比合成各種顏色，人眼感知到的純白色大致由藍光10%、綠光60%、紅光30%的亮度配比混合而成。由于紅綠藍芯片難以在同一襯底上制備得到，再加上紅光顯示對In含量有更高的要求且其發光效率偏低，因此要實現全彩色顯示，則需要將RGB三色LED芯片集成到同一基板上。一般芯片尺寸小于50 μm的LED被稱為micro-LED，這意味著需要轉移的像素數量高達百萬甚至千萬量級，并且尺寸都在微米量級，因此巨量轉移難度巨大，而且會導致成品率低和成本高。為解決全彩色顯示難題，研究者們提出了一些可行的方法，下面對這些方法進行分別介紹，同時RGB直接排列法作為一種傳統方法也一并介紹，主要有：(1)顏色轉換層法；(2)RGB直接排列法；(3)特殊結構法；(4)光學透鏡法。

2.1 顏色轉換層法

顏色轉換層法通常在未切割的紫外或者藍光micro-LED與驅動電路集成后，通過旋涂或點膠的方法在芯片陣列上涂敷顏色轉換材料來實現綠光和紅光的發射。其中發光介質一般為熒光粉和量子點(quantum dot， QD)，在微顯示中，熒光粉材料由于尺寸一般在微米量級容易導致色差而逐漸被淘汰，而量子點材料發射光譜窄、熒光量子產率高、缺陷容忍度高[29]，應用更為廣泛。量子點材料可以通過調控粒徑大小來改變不同發光的波長。量子點粒徑越小，發光波長越短，發光顏色藍移；粒徑越大，發光波長越長，發光顏色紅移。2021年Meng等[30]將大面積MoS2TFTs與氮化物micro-LED集成，制備了每英寸(1英寸=2.54 cm)1 270 ppi的高分辨率全彩色微顯示器，其研究組實現全彩色顯示的方法為通過在InGaN多量子阱中分別摻雜13%和21%(質量分數)的銦含量來實現藍綠光發射，在藍光LED上沉積彩色轉換CdSe/CdTe量子點實現紅光發射。該方法只需要進行紅光轉換，減少了有毒重金屬Cd2+的引入，但前端分區摻雜工藝較復雜，且未改善像素之間顏色串擾問題，限制了其產業化發展。2022年，Hwangbo等[31]將MoS2薄膜晶體管與micro-LED器件單片集成，實現了最高達每英寸508 ppi的分辨率。其研究組通過在藍色GaN基micro-LED上噴涂紅/綠量子點顏色轉換層實現全彩色顯示，其中CdSe/ZnS量子點與基于透明環氧樹脂的SU-8光刻膠混合可光刻形成圖案，這種與光刻膠混合的量子點一般可以達到60%～70%的量子產率。圖3為該方法的工藝示意及發光效果顯示圖[32]，該方法制備得到的綠色和紅色微顯示器外量子效率(EQE)分別達到27.76%和26.30%，發射波長分別在530 nm和640 nm，且色域達到國家電視標準委員會(NTSC)規范的110%。但在micro-LED器件上單片集成MoS2TFTs進行驅動的方法使得顯示器光路需從底部發射，而藍寶石襯底的厚度嚴重導致了紅/綠量子點的光轉換效率低和色純度差，這意味著后期需要有效進行襯底減薄或者襯底剝離，增加了工藝難度。

圖3 顏色轉換層法[32]。(a)MoS2與micro-LED單片集成工藝示意圖; (b)發光效果顯示圖Fig.3 Color conversion layer method[32]. (a) MoS2 and micro-LED single-chip integrated process schematic diagram; (b) light emitting effect display diagram

采用量子點作為顏色轉換層成本低、制作簡單，且隨著各種鈣鈦礦等新型量子點的提出[32-33]，成為實現全彩色顯示最常用的方法。但它對外延片的波長均勻性要求高，穩定性差，容易造成不同顏色像素間的光學串擾。研究表明，進行溝槽填充量子點[34]、引入黑色光刻膠模具[35-36]、設計分布式布拉格矩陣結構、加入散射粒子等方法可以有效提高光轉換效率和削弱像素間顏色串擾[37-38]。2015年Han等[39]在紫外micro-LED上使用氣流噴印技術涂敷紅綠藍量子點，并引入布拉格反射層阻擋紫外光泄露，制備出分辨率為128×128的全彩色micro-LED，該方法有效提高了LED顯示的色純度，但使用紫外光源增加了其制造成本，且在噴涂技術中難以避免的咖啡環效應使得量子點油墨沉積不均勻，可能的解決辦法為使用表面張力更小的溶劑制備揮發速率更慢的量子點油墨和通過控制基板溫度減弱或消除咖啡環效應。2020年Li等[40]在藍寶石襯底上單片制造具有藍/綠雙波長發射的LED陣列，通過在不同子像素上覆蓋藍/綠濾光片和涂敷紅色量子點實現分辨率為40×40的三色顯示，將像素轉移到不透明基板上并去除原襯底，有效抑制了光學串擾。2022年Sun等[41]使用微孔填充的方法，在光刻后的基板上涂敷量子點，通過刮勻拋光表面得到了最小尺寸為2 μm的高分辨率量子點圖形，該法工藝簡單且色彩均勻性高，較低的成本使得其有望應用于大規模生產，但在micro-LED器件上實現同樣的微尺寸像素點制備還有待進一步工藝開發。目前核殼結構的鎘類量子點以其穩定性高、易制備、發展成熟等優點被廣泛應用于制備全彩色微顯示器中的顏色轉換材料，且工藝趨于成熟和多樣化。但隨著社會發展，研究者們必須開發一種輕毒或無毒、對環境更友好的顏色轉換材料，具有發光半峰全寬窄(<20 nm)、量子產率高(>90%)、發光峰位可調、毒性小等優點的鈣鈦礦量子點也因此逐漸熱門。鈣鈦礦量子點的直接圖案化是可采用的一種方法，2019年Wang等[42]提出使用Ar等離子體處理誘導鈣鈦礦納米晶(NCs)配體中的不飽和碳鍵發生聚合，未聚合區域溶解于非極性溶劑中，從而實現圖案化，通過交替旋轉涂層和選區等離子體處理可以實現在同一襯底上制備出多色納米晶圖案，分辨率達到幾微米，同時有效提高了CsPbX3納米晶的穩定性。其納米晶圖案化的工藝示意圖和三色圖案顯示效果如圖4所示。

與傳統光刻、噴墨印刷等方法不同，這種等離子體誘導配體聚合的方法更為簡單且可大規模制備，但對于100 nm左右的薄膜厚度而言，應用于micro-LED全彩色顯示中顏色轉換效率依舊過低，且若使用藍光等短波長光激發，則無法避免藍光的泄露。要獲得高質量的鈣鈦礦量子點薄膜圖案，還需進一步增加量子點涂敷厚度。2022年Liu等[43]在鈣鈦礦量子點中添加光活性物質，使得量子點可直接進行光刻，實現了5 μm高分辨率的高質量鈣鈦礦量子點圖案，這種方法可以通過改變加入樹脂的類別和配比調控薄膜厚度。雖然鈣鈦礦量子點應用于顏色轉換材料具有非常好的前景，但穩定性不好是其目前最大挑戰，鈣鈦礦量子點的低形成能和離子晶體特征使得其在空氣、水、光、熱以及極性溶劑的作用下迅速分解。目前，已有制備封裝層[44](SiO2、Al2O3、沸石包覆)、表面配體改性[45]等方法顯著提高了鈣鈦礦量子點的穩定性。因此，隨著量子點質量的提高及更優良圖案化制備技術的提出，使用顏色轉換層法實現全彩色顯示將得到更廣泛的應用，鈣鈦礦量子點的應用也更為成熟。

圖4 納米晶膜圖案化[42]。(a)選區等離子體誘導配體聚合示意圖;(b)5 cm×5 cm玻璃基板上紅綠藍NCs陣列效果圖Fig.4 Nanocrystalline membrane pattern[42]. (a) Schematic of the selected-area plasma-induced ligand polymerization； (b) photograph of the red, green, and blue NCs arrays on a 5 cm×5 cm glass substrate

2.2 RGB直接排列法

RGB直接排列法將分立的紅綠藍三色micro-LED芯片通過巨量轉移的方式集成到同一驅動基板上，對每個LED進行脈沖寬度調制電流驅動來調整顏色混光，可以實現大規模集成。常用的制備方法為先選擇性區域生長制備藍光和綠光InGaN/GaN LED，通過粘合劑集成紅光AlGaInP LED，再采用鍵合或倒裝的方式將三色LED的P電極和N電極與電路基板連接。但在小尺寸下，RGB三色芯片的外量子效率下降差異更為顯著，紅光的表面復合速率更快，芯片間不同的電學特性和生長條件也給三色單片集成帶來了更大的挑戰。2016年Peng等[46]在透明石英基板上使用板上芯片封裝(chip on board, COB)技術集成RGB三色芯片，并通過驅動電路行列掃描實現彩色動畫的顯示，顯示效果如圖5所示。

圖5 RGB直接排列法[46]。(a)RGB三像素集成示意圖；(b)發光效果顯示圖Fig.5 RGB direct alignment method[46]. (a) RGB three pixel integration diagrams; (b) light emitting effect display diagram

2017年Meitl等[47]通過彈性印章轉印技術轉移RGB三色芯片至同一襯底上，實現三色顯示，這種方法需要巨量轉移單色芯片，雖然可以在藍寶石、玻璃、塑料等不同襯底上大規模制備，但良率低、技術難度大限制了其應用；2018年Chang等[48]利用選區生長(SAG)技術在InGaN基襯底上制備藍/綠LED，再使用粘合劑鍵合紅光LED芯片實現全彩色顯示，如圖6所示。這種方法與多色芯片轉移相比簡化了工藝，但都是將RGB三色芯片集成在同一基板上，這不可避免地要考慮三色芯片間的不同電學特性，與藍光、綠光LED相比，紅光LED的開啟電壓更低，且三者的老化速率不同，此外紅光LED由于其AlGaInP材料體系的固有特征，外量子效率隨尺寸減小衰減更為顯著，這嚴重縮短了器件的使用壽命和降低了光學顯示質量。要實現RGB直接排列法的長遠使用，還需要進一步提高紅光LED的外量子效率和色純度，開發更高效率的InGaN基紅光micro-LED是一種解決辦法。2021年Amelie等[21]在兩種不同的硅基InGaN襯底上生長10 μm大小RGB LED，通過插入應變補償層、生長更厚的InGaN層、引入電子阻擋層等方法有效提高了紅光LED的量子效率，實現了均勻的三色集成。隨著micro-LED的尺寸逐漸微小化，RGB直接排列法的應用面臨更高的成本，這是因為需要轉移三種色彩的micro-LED，意味著三倍數量的巨量轉移，雖然目前巨量轉移技術有抓取釋放法、激光剝離法、流體自組裝法和靜電轉移法等多種方法，但發展都不成熟。沒有一種高效的巨量轉移技術導致了RGB直接排列法的micro-LED微顯示器制造成本高昂，另外技術難度大、良率低、三色LED的不同生長條件及特性也阻礙了其發展。

圖6 RGB LED制備工藝示意圖[48]。(a)利用SAG制備藍光和綠光雙色LED的制備過程；(b)使用粘合劑鍵合紅色像素的過程；(c)最終器件的俯視圖、橫截面圖及依次顯示的顯微圖像Fig.6 Schematic of the fabrication process of the RGB LED[48]. (a) The fabrication process of the blue/green dual-color LED using SAG; (b) the process for the formation of the red pixels using adhesive bonding; (c) top and cross-sectional views of the final device, and the micro-image displayed in order

2.3 特殊結構法

在對micro-LED全彩化研究日漸深入的同時，一些特殊結構也應用在全彩色顯示中，如納米柱LED[49]、設計中間載流子阻擋層[50]、直接外延生長、設計不同形狀的LED陣列[51-52]等方法。在外延生長上，與傳統LED相比，納米柱LED能夠在熱失配和晶格失配程度很高的襯底上進行異質外延，且擁有更小的尺寸，尺寸均勻性比自組裝的納米晶陣列更好。2018年Robin等[49]通過金屬有機氣相外延生長(MOCVD)制備了基于納米柱的彩色LED，該法通過生長在納米柱不同晶面上的量子阱的厚度以及相應的極化誘導電場決定光的波長和強度，InGaN摻入量沿納米柱發生變化，使不同量子阱區域依次被激活，從而實現LED全彩色顯示。其納米柱的核殼層結構及LED電學特性[49]如圖7所示。目前生長納米柱的方法主要有選擇性區域外延、自組裝生長、催化劑輔助生長等。納米柱還可以通過控制其直徑改變In含量，從而發射不同顏色波長。

2018年Yamano等[53]通過納米壓印光刻等方法在AlN/Si襯底上制備了直徑80～300 nm的納米柱LED，實現了不同波長的顏色發光。通過納米柱LED實現全彩化的方法可以有效地在側壁弛豫應力，降低GaN位錯密度，從而生長很少缺陷的納米晶體，有效提高了LED的發光效率。但在納米柱LED這種微小結構上準確地控制發光波長需要選區生長不同直徑的納米柱或者通過改變電流密度大小來調控不同In組分區域的量子阱發光，這大大增加了工藝難度。顏色可控性不足和色純度低是限制納米柱LED應用的主要挑戰。采用直接外延生長的方法可以有效解決納米柱LED低色純度的問題，而且顏色轉換效率也更高。2021年Ichikawa等[54]在藍寶石襯底上生長摻銪GaN以實現紅光發射，然后單片垂直堆疊生長后續的InGaN QW基藍色和綠色LED實現同一基板上分辨率超過4 000 ppi的三色發射，具有非常高的顏色純度，亮度最大達3 100 cd/m2，其結構和發光顯示圖如圖8所示。

圖7 納米柱LED[49]。(a)納米柱核殼層結構的STEM圖；(b)納米柱LED的電學特性Fig.7 The nano rod based LED[49]. (a) STEM picture of the core-shell layers structure; (b) electrical characteristic of the nano rod based LED

圖8 特殊結構法[54]。(a)單片垂直堆疊全彩色micro-LED結構示意圖；(b)電致發光效果顯示圖Fig.8 Special structure method[54]. (a) Single vertical stacking full-color micro-LED structure diagram; (b) electrical light emitting effect display diagram

實現全彩色顯示，還可以進行特殊的外延結構設計，在藍寶石襯底上依次生長藍光、紅光量子阱，紅光量子阱在量子限制斯塔克效應(QCSE效應：指由極化電場導致能帶傾斜從而影響發光峰位偏移的現象)下可以發出紅光和綠光，隨著量子阱中In組分的增加，QCSE效應越強，波長偏移也越大。但目前這種方法只適用于實驗室，要實現大規模應用，還需要解決生長條件苛刻、顏色可控度低和表面缺陷引起的載流子非輻射復合的問題。

2.4 光學透鏡法

光學透鏡法是指通過外部控制單元將圖像信號傳輸到三個陣列驅動器，再使用光學棱鏡將分立的紅光、綠光和藍光進行合成，調整LED陣列亮度及棱鏡方向以實現全彩色顯示。2013年Liu等[55-56]采用倒裝芯片鍵合技術制作了一款無背光單元的全彩LED投影儀。該方法將micro-LED陣列與硅基集成電路進行集成，再使用三色棱鏡將RGB三色光進行光學組合，實現了分辨率為30×30的LED微投影儀全彩色顯示。圖9展示了該微投影儀的結構原理和顯示效果。與傳統投影儀相比，該投影儀具有更簡單的光學結構和更高的光利用效率。

圖9 光學透鏡法[55-56]。(a)LEDoS微投影儀的光學結構圖；(b)信號板架構；(c)漢字顯示效果；(d)彩色圖片效果圖Fig.9 Optical lens method[55-56]. (a) LEDoS micro-projection instrument optical structure diagram; (b) signal board architecture; (c) Chinese characters display effect; (d) color picture renderings

光學透鏡法雖然操作簡單，但每個LED芯片都是分立的，難以實現大規模micro-LED全彩色顯示，應用范圍也極其局限，目前只適用于投影技術。

2.5 小 結

Micro-LED 由于發光效率高、使用壽命長、解析度超高與色彩飽和等優勢成為下一代顯示技術，而全彩化顯示作為其商業化的關鍵技術得到了廣泛的研究和關注。顏色轉換層法隨著研究的深入已經開發出多種顏色轉換材料的制備方法，包括高精度噴墨印刷、制作模具填充量子點、量子點直接光刻、熱誘導圖案化、微流控技術等，但不可避免地都存在色轉換效率低的問題。RGB直接排列法雖然可以不損耗發光能量，但基于更大表面復合速率和擴散系數的AlGaInP材料體系的紅光LED與藍/綠 InGaN基LED集成存在色差、老化等問題，且找到一種高效的巨量轉移技術也是巨大挑戰。特殊結構法近年來也被許多研究者所開發，這種方法在一定程度上解決了色轉換效率低和集成困難的問題，但這些結構通常生長條件較復雜，在大規模應用中存在一定困難。光學透鏡法的作用就更為局限，目前只應用于微型投影儀。綜上，雖然RGB直接排列法如今成本高昂，但是相對于量子點將短波長光轉換為長波長光的這種用能量損耗換取成本的方案，RGB直接排列法具有更高的能源利用率。未來如若突破巨量轉移技術，RGB直接排列法的micro-LED顯示器制造成本將大幅下降，有望成為更優秀的顯示器。

3 結語與展望

本文介紹了一種micro-LED的制作方法，詳細說明了micro-LED全彩色顯示的發展現狀，主要有顏色轉換層法、RGB直接排列法、特殊結構法、光學透鏡法。就目前研究成果而言，使用量子點作為顏色轉換層實現全彩色的方法應用最為廣泛，但量子點在環境中的穩定性及顏色轉換效率還有待進一步提高。Micro-LED作為下一代顯示技術，要實現大規模全彩色顯示應用，還面臨著成本高、良率低、修復難、巨量轉移技術難度大等挑戰，需要找到一種更為簡便和高效的方法，使用藍色量子點取代傳統的藍光/紫外LED激發光源，通過量子點的電致發光實現全彩色顯示是一種解決辦法。隨著micro-LED顯示技術的相關難題逐漸被解決，micro-LED將在航空、醫療、生物、交通、信息等領域起著不可替代的作用，給人們的生活也帶來質的飛躍。