综述：Micro-LED显示全彩化关键技术

    一、研究背景

    在过去几十年，显示技术得到了广泛使用。我们在生活中可以看到大量的应用，例如电视、大型视频广告牌、计算机、智能设备等。目前，液晶显示器（LCD）和有机发光二极管 (OLED) 显示技术占据显示市场。进一步地，显示器的各种新兴应用，例如虚拟现实（VR）和增强现实（AR），促进了高性能显示技术的发展。微发光二极管显示器（Micro LED显示）是一种主要基于无机GaN基LED的新兴技术，与LCD和OLED相比，它具有高对比度、低功耗、长寿命和快速响应等优点。将来，Micro LED的应用可以从平板显示器扩展到空间显示器、可穿戴/可植入光电设备、光通信、生物医学检测等领域。

    下图描述了未来显示的一种应用场景：Micro LED可用作光电探测器来接收外部信号，高带宽Micro LED发射器也可以通过显示器并行地将信息传输给消费者。（图1.1，引用文献：X. Liu et al. ACS Photonics, 6: 3186 (2019)）高度集成的半导体信息显示是下一代信息显示技术的核心，它将空间3D光场显示（LFD）、多色照明（MCL）、精确空间定位（PSP）和可见光通信技术（LiFi）集成在一起。Micro LED阵列是一种高效、低功耗的器件，可以将驱动器、照明和信号传输结合在一起。尽管Micro LED具有广阔的商业前景，但仍面临巨大挑战：例如尺寸减小对性能的影响，在单个晶圆上实现高密度集成以独立寻址全彩化Micro LED显示器，提高修复技术和产量等。

    图1.1 集成Micro LED显示和双工可见光通信的智能Micro LED显示系统。（来源：田朋飞团队发表论文ACS Photonics, 6: 3186 (2019)，相关成果被国际半导体行业的着名杂志Semiconductor Today新闻报道。）

    二、文章简介

    复旦大学田朋飞副教授、台湾交通大学郭浩中教授等团队受Progress in Quantum Electronics主编邀请对Micro-LED显示全彩化关键技术“Growth, transfer printing and colour conversion techniques towards full-colour micro-LED display”进行了综述（https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2020.100263），该review论文由复旦大学、台湾交通大学、电子科技大学共同完成，复旦大学信息科学与工程学院博士研究生周小洁、田朋飞副教授为共同第一作者，田朋飞副教授、台湾交通大学郭浩中教授为共同通讯作者。《Progress in Quantum Electronics》杂志为国际知名review期刊，3年平均影响因子8.95。

    文章介绍了Micro LED的结构、制备与衬底剥离技术，系统阐述了实现Micro LED显示全彩化的主要方法：材料生长、转移打印、色转换。论文对三种关键技术的机理、实现方法、优缺点进行着重介绍，并总结了关键技术所面临的挑战及Micro LED显示全彩化未来的发展方向（图2.1）。

    图2.1 实现Micro LED显示全彩化的主要方法

    三、主要内容

    1、材料生长

    Micro LED的生长技术是获得Micro LED显示全彩化的方案之一，该方法可以实现超高分辨率显示。文中主要讨论了纳米线LED、多色量子阱（QW）结构Micro LED和纳米环LED三种结构。

    纳米线LED的制备是利用选区生长（SAG）技术。通过控制InGaN/GaN纳米线的成分来实现发光颜色的转换。图1呈现出了组装纳米线阵列LED和独立纳米线LED的结果图。可以看出，随着尺寸的增大，二者表现出不同的发射峰移动方向。（图3.1，引用文献：①B.H. Le et al. Advanced Materials 28 (2016) 8446-8454. ②H. Sekiguchi et al. Applied Physics Letters 96 (2010) 231104.③Y.-H. Ra et al. Nano Letters 16 (2016) 4608-4615.）

    图3.1

    多色QW结构Micro LED的颜色调控是基于QW的特殊结构，再利用能带填充和量子限制斯塔克效应（QCSE）屏蔽的竞争关系实现发射峰的蓝移。相关结构与测试结果如图3.2所示。（图3.2，引用文献：S. Zhang et al. IEEE Photonics Journal 4 (2012) 1639-1646.）

    图3.2

    对于纳米环LED的发光颜色转换，是通过减小壁厚度及释放内部应变来抑制QCSE，进而促进发射峰的蓝移，如图3.3所示。（图3.3，引用文献：①S.-W. Wang et al. Scientific Reports 7 (2017) 42962. ②S.-W.H et al. Photonics Research 7 (2019) 416-422.）

    图3.3

    2、转移打印

    转移打印是实现Micro LED显示全彩化的关键技术。自John Rogers教授团队利用PDMS stamp转移Micro LED，Martin Dawson教授团队实现纳米精度PDMS转移后，各大公司提出了不同的转移技术。本文根据大量论文、专利的知识，主要描述了范德瓦尔斯力转移打印、激光选择性释放、静电吸附、电磁力吸附、流体转移五种方法。表1显示了转印技术的典型参数，包括关键材料、作用力、UPH和适用芯片尺寸。以PDMS stamp拾取技术为例，UPH随着PDMS stamp的尺寸，像素密度和拾取周期的增加而上升。

    表1

    范德瓦尔斯力转移打印是利用PDMS stamp拾取速度与材料间能量释放率的关系来实现的，图4为二者的关系。（图3.4，引用文献：X. Feng et al. Langmuir 23 (2007) 12555-12560.）

    v大于vc时，PDMS stamp和micro-LED之间的粘附性大，PDMS stamp从原始衬底拾取micro-LED

    v小于vc时，Micro LED和衬底之间的粘附性大， PDMS stamp将micro-LED打印到接收衬底上

    图3.4

    激光选择性释放是利用材料对激光的不同吸收系数，引起界面的热膨胀，从而引起牺牲层的烧蚀，使Micro LED从原始衬底转移到接收衬底，如图5所示。（图3.5，引用Sony的专利。）若为GaN外延片，界面处的GaN缓冲层分解成Ga和N2，实现芯片的分离和转移。

    图3.5

    静电吸附是利用静电转移头产生吸引力或者排斥力实现对Micro LED的拾取和放置。（图3.6，引用Apple的专利。）在拾取Micro LED阶段，在吸附转移头和芯片上产生不同电荷，将Micro LED吸附拾取。在放置Micro LED阶段，通过调节内外电极电压差，使得电压差为零，将Micro LED放置到接收衬底。键合方式包括共晶合金键合、瞬态液相键合或固态扩散键合。

    图3.6

    电磁力吸附转移技术有点类似于静电吸附转移，不同的是，该方法是通过线圈电感产生电磁力的方式，将Micro LED吸附及放下，如图3.7所示。（图3.7，引用ITRI的专利。）在拾取Micro LED阶段，主要方式为去除牺牲层，使其处于悬空状态，电可编程磁性模块产生磁力，吸附拾取芯片；在打印Micro LED阶段，电可编程磁性模块通过加热工艺将导电模块与接收器衬底对准并接触，从而将Micro LED与接收衬底键合。最后，断电消除磁力，拾取电可编程磁性模块。

    图3.7

    相比于上述提到的转移技术，流体转移技术的成本更低、速度更快。这种技术是利用刷子的移动来控制流体中Micro LED的运动，最后使它落入接收衬底的井中，如图3.8所示。（图3.8，引用eLux的专利。）当V0 ? Vcrit，，随着电刷的平移和旋转，电刷周围的流体产生湍流，因此许多Micro LED聚集在该区域中。首先，这些Micro LED被动地向上移动，并由于湍流而高速离开基板表面；接下来，刷子继续移动，驱动这些Micro LED开始在基板表面上向前散射，然后通过流体、振荡、减速，最后以低于Vcrit的速度沉入井中。

    V0代表micro-LEDMicro LED的速度，Vcrit代表临界捕获速度。

    V0高于Vcrit ， Micro LED逃离井。

    V0小于等于Vcrit ， Micro LED被井捕获。

    图3.8

    3、颜色转换

    颜色转换技术是实现Micro LED显示全彩化的另一种典型方法。这项技术最初是由Martin Dawson小组提出的。随着这项技术的蓬勃发展，来自台湾交通大学、复旦大学和一些公司的团队也采用了类似的技术来实现全彩色显示。本文主要讲述了打印技术、紫外自对准固化技术和无机薄膜色转换三种方法。

    郭浩中教授团队通过紫外/蓝色Micro LED来激发红色和绿色量子点实现红光和绿光的发射。进一步地，他们增加了光刻模具来减小Micro LED之间的光学串扰。如图3.9所示。（图3.9，引用文献：①H.-V. Han et al. Optics Express 23 (2015) 32504-32515. ②H.-Y. Lin et al. Photonics Research 5 (2017) 411-416.）

    图3.9

    紫外自对准固化是Martin Dawson教授团队提出的，利用紫外Micro LED激发掺入不同颜色纳米晶体的纳米复合材料，实现多色转换。如图3.10所示。（图3.10，引用文献：B. Guilhabert et al. Optics Express 16 (2008) 18933-18941.）

    图3.10

    除此之外，Martin Dawson教授团队还提出了一种与转移打印兼容的颜色转换方法实现无机薄膜的颜色转换。主要是利用液相毛细管力将平面MQW无机半导体膜转印到450 nm的Micro LED上，并成功制备了发射540 nm的光的混合型Micro LED。如图3.11所示。（图3.11，引用文献：J.M.M. Santos et al.Semiconductor Science and Technology 30 (2015) 035012.）

    图3.11

    四、总结与展望

    本文总结了近年来的各种Micro LED显示全彩化技术，包括生长技术、转移打印技术、颜色转换技术。

    生长技术在结构和机理的研究上已经取得了很大的进展，这在高分辨率和高效率的Micro LED显示全彩化应用中有巨大的潜力。然而，驱动器与Micro LED阵列的集成以及效率的提高是该技术面临的巨大挑战。

    转移打印技术已被许多公司广泛使用，但是成本和产量是该技术发展的主要障碍。颜色转换技术可实现低成本和高PPI的Micro LED显示全彩化。然而，材料的能量损失、低效率和不稳定性仍然是需要进一步地解决。

    目前，Micro LED显示市场仍处于起步阶段，尚未大规模量产。对我们而言，这不仅是机遇，也是挑战。许多企业（如苹果、华星光电等）已经投资了用于Micro LED显示全彩化的关键技术，例如转移打印技术。在衍生产品方面，主要的制造商也已提前开始相关研究。对于终端应用，大型户外和商用显示器将首先出现，其次是汽车和可穿戴显示器。未来，随着世界范围内关键技术地迅速发展，大面积、低成本、高效率的Micro LED显示屏有望成为未来的重要显示技术。

    五、致谢

    这项工作得到了国家自然科学基金（61974031和61705041）、上海市技术标准计划（18DZ2206000）和国家重点研发计划（2017YFB0403603）项目的支持。作者要感谢诺贝尔奖得主中村修二教授对本文的帮助。

    Authors:Xiaojie Zhou#, Pengfei Tian#,*, Chin-Wei Sher, Jiang Wu, Hezhuang Liu, Ran Liu and Hao-Chung Kuo*

    Title: Growth, transfer printing and colour conversion techniques towards full-colour micro-LED display

    Published in: Progress in Quantum Electronics, doi:10.1016/j.pquantelec.2020.100263.

    作者：复旦大学田朋飞

    来源：MicroLED产业研究