量子點(diǎn)像素堆疊的全彩Micro-LED單片集成技術(shù)

　　一、研究背景：

　　微型發(fā)光二極管(Micro-LED)是基于氮化鎵等無(wú)機(jī)外延材料制備的電致發(fā)光器件，其尺寸通常小于50微米。由于Micro-LED器件在亮度、集成度和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，被譽(yù)為下一代新型顯示技術(shù)的關(guān)鍵發(fā)光單元。目前，Micro-LED單色微顯示技術(shù)已較為成熟，但全彩微顯示仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，包括微小尺寸像素轉(zhuǎn)移困難、垂直堆疊集成工藝復(fù)雜等。近年來(lái)，色轉(zhuǎn)換技術(shù)被證實(shí)是一種有效實(shí)現(xiàn)Micro-LED全彩顯示的策略，該技術(shù)需要將色轉(zhuǎn)換材料陣列集成到藍(lán)光Micro-LED芯片上。然而，現(xiàn)有報(bào)道的Micro-LED全彩微顯示器件主要面臨“藍(lán)背光泄露嚴(yán)重”和“彩色像素集成良率低”等問(wèn)題，這些問(wèn)題是制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

　　二、文章簡(jiǎn)介：

　　湖南大學(xué)潘安練教授、李梓維教授、黃建華博士等人聯(lián)合湖南師范大學(xué)、諾視科技、晶能光電多家單位，開(kāi)發(fā)了量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換像素集成的Micro-LED全彩集成工藝，實(shí)現(xiàn)了超高亮度、超高像素密度的Micro-LED全彩微顯示芯片。本團(tuán)隊(duì)選擇具有氯磺?；凸柰榛鶊F(tuán)的配體分子作為量子點(diǎn)的合成配體和表面處理材料，強(qiáng)化了量子點(diǎn)光刻膠的穩(wěn)定性和量子點(diǎn)像素的界面粘附力，實(shí)現(xiàn)了亞5微米量子點(diǎn)像素高密度陣列集成。制備的0.39英寸微顯示屏，可以動(dòng)態(tài)的播放圖片和視頻，最高亮度超過(guò)40萬(wàn)尼特，像素密度達(dá)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(guò)1000小時(shí)，超越商用OLED性能。這些成果將成熟的集成電路技術(shù)推廣到微顯示器件的制造中，也為全彩Micro-LED的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程指明了方向，相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials 。

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

　　三、研究?jī)?nèi)容：

　　1、高光效的量子點(diǎn)光刻膠

　　為了有效阻止藍(lán)背光泄露問(wèn)題，需要在有限厚度的色轉(zhuǎn)換層中，實(shí)現(xiàn)更多的藍(lán)光吸收，即提高量子點(diǎn)的光吸收和光致熒光轉(zhuǎn)換效率。在鈣鈦礦量子點(diǎn)合成工藝中，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)選了2-(4-氯磺酰基苯基)乙基三甲氧基硅烷(CES)作為表面配體，相比于傳統(tǒng)的表面配體材料，CES的官能團(tuán)分子(S=O)具有更強(qiáng)的電負(fù)性，易于與前驅(qū)體鈣鈦礦小分子形成化學(xué)鍵保護(hù)，實(shí)現(xiàn)小尺寸(平均尺寸10 nm)、高均一性的量子點(diǎn)合成制備。穩(wěn)態(tài)熒光光譜測(cè)試和瞬態(tài)光吸收測(cè)試表明，CES配體鈍化的鈣鈦礦量子點(diǎn)，具有更高的熒光量子產(chǎn)率、更長(zhǎng)的激子光壽命和優(yōu)異的光致發(fā)光效率。

　　圖2. 鈣鈦礦量子點(diǎn)合成工藝、形貌表征以及發(fā)光性能測(cè)試。

　　2、量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換像素堆疊工藝

　　亞5微米微小尺寸量子點(diǎn)像素光刻集成時(shí)，由于界面粘附力不足易導(dǎo)致像素不可控“掉膠”，嚴(yán)重影響像素集成制造良率。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了表面預(yù)處理工藝，通過(guò)在藍(lán)光Micro-LED矩陣像素上旋涂CES配體分子實(shí)現(xiàn)表面預(yù)處理，配體分子在紫外光刻曝光下與量子點(diǎn)光刻膠形成化學(xué)共價(jià)鍵成鍵，顯著增強(qiáng)像素界面的粘附力，實(shí)現(xiàn)亞5微米微小尺寸像素的晶圓級(jí)圖案化制造，良率高達(dá)100%。

　　圖3. 量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換像素堆疊工藝中的表面預(yù)處理工藝，處理后實(shí)現(xiàn)了界面公價(jià)化學(xué)鍵成鍵。

　　3、量子點(diǎn)像素堆疊的Micro-LED全彩單片集成技術(shù)

　　全彩Micro-LED單片集成制造需要開(kāi)發(fā)一系列半導(dǎo)體集成工藝，研究團(tuán)隊(duì)采用硅基氮化鎵晶圓作為發(fā)光芯片，先實(shí)現(xiàn)發(fā)光芯片與IC驅(qū)動(dòng)芯片的集成鍵合，再利用微納工藝加工制備藍(lán)光發(fā)光像素。通過(guò)在像素間沉積混合金屬“隔離墻”微結(jié)構(gòu)，可以有效隔離像素間的光串?dāng)_，并實(shí)現(xiàn)色轉(zhuǎn)換像素垂直出光光效提升。在5×5μm藍(lán)光發(fā)光像素區(qū)域制了備5-6微米的量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換像素層，實(shí)現(xiàn)了100%藍(lán)背光吸收，獲得超高亮度的紅、綠像素發(fā)光陣列。

　　圖4.量子點(diǎn)像素堆疊的Micro-LED全彩單片集成技術(shù)，其中光阻擋結(jié)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)了像素光串?dāng)_隔離。

　　4、0.39英寸的Micro-LED全彩微顯示芯片

　　研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化光刻工藝，經(jīng)過(guò)多次對(duì)準(zhǔn)曝光實(shí)現(xiàn)了紅、綠量子點(diǎn)像素陣列堆疊，制造了0.39英寸的Micro-LED全彩微顯示芯片。在硬幣四分之一大小的物理尺寸上，實(shí)現(xiàn)了1024×780個(gè)高密度像素的可控動(dòng)態(tài)顯示，通過(guò)視頻數(shù)據(jù)線連接電腦或手機(jī)實(shí)現(xiàn)畫(huà)面播放和現(xiàn)實(shí)。顯示屏展現(xiàn)出大色域、高色彩純度、高穩(wěn)定等性能優(yōu)勢(shì)，相比于氮化鎵體系的Micro-LED器件、鈣鈦礦體系的發(fā)光器件和量子點(diǎn)色轉(zhuǎn)換集成的發(fā)光器件，該微顯示屏在綠光和紅光色彩亮度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于現(xiàn)有技術(shù)，達(dá)到了微顯示行業(yè)的彩色屏亮度記錄。

　　圖5. 0.39英寸的彩色Mirco-LED顯示屏，展現(xiàn)出大色域、高亮度、高穩(wěn)定等性能優(yōu)勢(shì)。

　　四、總結(jié)與展望：

　　綜上所述，本文展示了一種可量產(chǎn)的Micro-LED全彩顯示單片集成策略，實(shí)現(xiàn)了極高的峰值亮度和有效工作壽命。量子點(diǎn)像素堆疊的Micro-LED全彩微顯示芯片展現(xiàn)了良好的動(dòng)態(tài)顯示功能效果，具有3300 PPI的高像素集成密度、130.4% NTSC的寬色域和40萬(wàn)尼特的峰值亮度。這項(xiàng)成果是微顯示技術(shù)領(lǐng)域一次里程碑意義的技術(shù)突破，探索了一種微顯示芯片能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)制造的產(chǎn)業(yè)化路徑。

　　五、致謝：

　　感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、湖南省自然科學(xué)基金的資助。

　　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