MicroLED 顯示技術(shù)發(fā)展概述

徐 峰

（揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

1 MicroLED 顯示技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

20世紀(jì)90年代，日本日亞科學(xué)家中村修二成功制備出商用高亮度藍(lán)光GaN 基LED，標(biāo)志著LED 全面商業(yè)化的開(kāi)始。LED 已被廣泛的應(yīng)用在照明、紫外消毒、顯示背光、三原色全彩顯示、紅外探測(cè)等領(lǐng)域。隨著顯示技術(shù)的飛速發(fā)展，LED 器件也逐漸發(fā)揮越 來(lái)越 重要的作用。目前，主流顯示技術(shù)主要包括：液晶顯示（LCD）、有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、微縮矩陣化發(fā)光二極管（MicroLED）顯示等，其中，MicroLED 顯示被認(rèn)為是將顛覆傳統(tǒng)的新一代顯示技術(shù)，已成為L(zhǎng)ED 產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域新的增長(zhǎng)和爆發(fā)點(diǎn)。MicroLED 顯示相比于其他顯示技術(shù)具有自發(fā)光、高對(duì)比度、高分辨率、高可靠性、壽命長(zhǎng)、功耗低等諸多優(yōu)勢(shì)。MicroLED 在大尺寸電視墻顯示器、汽車抬頭數(shù)字顯示、智能手表、柔性屏幕、增強(qiáng)及虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)應(yīng)用前景，同時(shí)，5G 技術(shù)結(jié)合8K 顯示將會(huì)是MicroLED 在5G 時(shí)代浪潮下的最新應(yīng)用趨勢(shì)。

2 MicroLED 顯示技術(shù)發(fā)展歷程

MicroLED 顯示技術(shù)是基于常規(guī)LED 顯示技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。1999年，Jin 等人首次通過(guò)感應(yīng)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(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)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(kuò)散效應(yīng)，器件在8 mA 驅(qū)動(dòng)電流下的發(fā)光功率達(dá)到20μW，首次驗(yàn) 證了MicroLED器件在顯示領(lǐng)域的適用性。2006 年，Liang 等人采用濕法刻蝕工藝結(jié)合襯底減薄技術(shù)、介質(zhì) 橋技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)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(tǒng)共陰極器件的電路布局對(duì)可獨(dú)立尋址n 電極的MicroLED 器件陣列進(jìn)行了制備研究，獲得了MicroLED 器件調(diào)制速度的顯著提高。2018 年，Wong 等人研究了不同鈍化方式對(duì)10～100μm 不同尺寸MicroLED 器件反向漏電性能的影響，發(fā)現(xiàn)各器件發(fā)光效果存在較大差異，研究表明，側(cè)壁損傷對(duì)小尺寸器件具有更大的影響，器件反向漏電更為嚴(yán)重，而進(jìn)一步通過(guò)在器件表面沉積氧化層鈍化器件側(cè)壁，能有效緩解器件反向漏電現(xiàn)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(xiàng)工作均是以基于藍(lán)寶石襯底的正裝LED 結(jié)構(gòu)為研究基礎(chǔ)，但傳統(tǒng)正裝LED 結(jié)構(gòu)存在工作時(shí)散熱較 差的實(shí)際問(wèn)題，且電流擁擠現(xiàn)象會(huì)隨電流密度增大而顯著增強(qiáng)。因此，為了有效改善MicroLED 器件由于電流擁擠現(xiàn)導(dǎo)致的散熱問(wèn)題，部分課題組開(kāi)展了基于垂直及倒裝結(jié)構(gòu)MicroLED 的制備研究工作，實(shí)驗(yàn)證明器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以顯著提高M(jìn)icroLED 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(jié)構(gòu)MicroLED 陣列器件，并對(duì)比分析了其與傳統(tǒng)正 裝結(jié)構(gòu)器件的光電特性差異，發(fā)現(xiàn)倒裝結(jié)構(gòu)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(jí)金屬化工藝，實(shí)現(xiàn)了基于倒裝芯片結(jié)構(gòu)的無(wú)源矩陣 驅(qū)動(dòng)MicroLED 像素陣列，研究發(fā)現(xiàn)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(xué)特性。2019年，Chen 等人通過(guò)干法刻蝕方法制備了像素尺寸為8μm 的960×540藍(lán)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(dá)到13.3%，顯示分辨率達(dá)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(fā)現(xiàn)器件性能受側(cè)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(dāng)器件尺寸為20μm、50μm、100μm 時(shí)，側(cè)壁損傷導(dǎo)致其有效面積占比分別為36%、75%、85%。

3 MicroLED 顯示技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

MicroLED 器件相比于LCD、OLED 等傳統(tǒng)顯示器件具有更大的性能優(yōu)勢(shì)，如高亮度、高響應(yīng)速率、低功耗、長(zhǎng)壽命等，因此在光顯示技術(shù)領(lǐng)域中有著極大的市場(chǎng)應(yīng)用前景，此外，在通信技術(shù)領(lǐng)域，MicroLED 具有傳輸速度更快、調(diào)制帶寬更寬、傳輸信息量更大，能夠用于可見(jiàn)光通信中的光信號(hào)源，這將會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)可見(jiàn)光通信的發(fā)展，目前國(guó)際上報(bào)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(jiàn)光通信市場(chǎng)的快速發(fā)展，人們對(duì)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(jìn)一步探索優(yōu)化MicroLED 器件的新型制備工藝。

4 新型MicroLED 關(guān)鍵制備技術(shù)探究

通過(guò)基于離子注入的高電阻區(qū)域制備研究，研究發(fā)現(xiàn)低注入能量條件下氫（H）離子注入主要是以注入損傷補(bǔ)償作用為主，但值得關(guān)注的是，H 離子注入氮化鎵后產(chǎn)生的晶格缺陷密度較低，導(dǎo)致注入?yún)^(qū)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?yún)^(qū)域方塊電阻能夠達(dá)到H 離子的1 014倍，更有利于實(shí)現(xiàn)器件的有效電學(xué)隔離。與此同時(shí)，相比于傳統(tǒng)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(jié)溫、更高的光輸出功率密度，實(shí)際發(fā)光面積占總面積最高為90%，外量子效率提高約30%。同時(shí)，F(xiàn) 離子多次注入工藝器件能夠獲得更好的電學(xué)隔離效果以及熱耗散機(jī)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(huì)隨像素尺寸變化而變化，這主要是因?yàn)樾〕叽珀嚵衅骷娜毕菝芏蕊@著上升，導(dǎo)致器件俄歇復(fù)合等非輻射復(fù)合機(jī)制增強(qiáng)，進(jìn)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(yīng)得到了改善，這是由于增強(qiáng)的俄歇復(fù)合導(dǎo)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(fù)合機(jī)制，從而緩解了小尺寸器件的效率drooping 效應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

MicroLED 顯示技術(shù)正處于快速崛起的起步階段，各大商業(yè)巨頭已紛紛開(kāi)始對(duì)MicroLED 廠商進(jìn)行大規(guī)模投資與收購(gòu)，如蘋(píng)果收購(gòu)研發(fā)MicroLED 顯示面板技術(shù)的LuxVue 科技公司，F(xiàn)acebook 收購(gòu)了InfiniLED 新 創(chuàng)公司，而日亞化學(xué)公司則在MicroLED 領(lǐng)域耕耘超過(guò)10年，擁有諸多專利儲(chǔ)備，未來(lái)將加速推動(dòng)MicroLED的商品化進(jìn)程。相關(guān)權(quán)威網(wǎng)站發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球MicroLED 市場(chǎng)規(guī)模將從2019年的27億美元增長(zhǎng)到2022年的110億美元。相信MicroLED 顯示技術(shù)會(huì)應(yīng)用到更多的場(chǎng)景和領(lǐng)域，同時(shí)市場(chǎng)上也會(huì)涌現(xiàn)出更多種類的基于 MicroLED 顯示技術(shù)的新產(chǎn)品，將給帶給消費(fèi)者更便捷、更豐富、更愉悅的顯示體驗(yàn)。