一、研究背景：

　　微型發(fā)光二極管(Micro-LED)是基于氮化鎵等無機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)定性方面表現出色，被譽為下一代新型顯示技術的關鍵發(fā)光單元。目前，Micro-LED單色微顯示技術已較為成熟，但全彩微顯示仍面臨諸多技術挑戰(zhàn)，包括微小尺寸像素轉移困難、垂直堆疊集成工藝復雜等。近年來，色轉換技術被證實是一種有效實現Micro-LED全彩顯示的策略，該技術需要將色轉換材料陣列集成到藍光Micro-LED芯片上。然而，現有報道的Micro-LED全彩微顯示器件主要面臨“藍背光泄露嚴重”和“彩色像素集成良率低”等問題，這些問題是制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。

　　二、文章簡介：

　　湖南大學潘安練教授、李梓維教授、黃建華博士等人聯合湖南師范大學、諾視科技、晶能光電多家單位，開發(fā)了量子點色轉換像素集成的Micro-LED全彩集成工藝，實現了超高亮度、超高像素密度的Micro-LED全彩微顯示芯片。本團隊選擇具有氯磺?；凸柰榛鶊F的配體分子作為量子點的合成配體和表面處理材料，強化了量子點光刻膠的穩(wěn)定性和量子點像素的界面粘附力，實現了亞5微米量子點像素高密度陣列集成。制備的0.39英寸微顯示屏，可以動態(tài)的播放圖片和視頻，最高亮度超過40萬尼特，像素密度達到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1000小時，超越商用OLED性能。這些成果將成熟的集成電路技術推廣到微顯示器件的制造中，也為全彩Micro-LED的產業(yè)化進程指明了方向，相關成果發(fā)表在Advanced Materials 。

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

　　三、研究內容：

　　1、高光效的量子點光刻膠

　　為了有效阻止藍背光泄露問題，需要在有限厚度的色轉換層中，實現更多的藍光吸收，即提高量子點的光吸收和光致熒光轉換效率。在鈣鈦礦量子點合成工藝中，研究團隊優(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的官能團分子(S=O)具有更強的電負性，易于與前驅體鈣鈦礦小分子形成化學鍵保護，實現小尺寸(平均尺寸10 nm)、高均一性的量子點合成制備。穩(wěn)態(tài)熒光光譜測試和瞬態(tài)光吸收測試表明，CES配體鈍化的鈣鈦礦量子點，具有更高的熒光量子產率、更長的激子光壽命和優(yōu)異的光致發(fā)光效率。

　　圖2. 鈣鈦礦量子點合成工藝、形貌表征以及發(fā)光性能測試。

　　2、量子點色轉換像素堆疊工藝

　　亞5微米微小尺寸量子點像素光刻集成時，由于界面粘附力不足易導致像素不可控“掉膠”，嚴重影響像素集成制造良率。研究團隊發(fā)展了表面預處理工藝，通過在藍光Micro-LED矩陣像素上旋涂CES配體分子實現表面預處理，配體分子在紫外光刻曝光下與量子點光刻膠形成化學共價鍵成鍵，顯著增強像素界面的粘附力，實現亞5微米微小尺寸像素的晶圓級圖案化制造，良率高達100%。

　　圖3. 量子點色轉換像素堆疊工藝中的表面預處理工藝，處理后實現了界面公價化學鍵成鍵。

　　3、量子點像素堆疊的Micro-LED全彩單片集成技術

　　全彩Micro-LED單片集成制造需要開發(fā)一系列半導體集成工藝，研究團隊采用硅基氮化鎵晶圓作為發(fā)光芯片，先實現發(fā)光芯片與IC驅動芯片的集成鍵合，再利用微納工藝加工制備藍光發(fā)光像素。通過在像素間沉積混合金屬“隔離墻”微結構，可以有效隔離像素間的光串擾，并實現色轉換像素垂直出光光效提升。在5×5μm藍光發(fā)光像素區(qū)域制了備5-6微米的量子點色轉換像素層，實現了100%藍背光吸收，獲得超高亮度的紅、綠像素發(fā)光陣列。

　　圖4.量子點像素堆疊的Micro-LED全彩單片集成技術，其中光阻擋結構有效實現了像素光串擾隔離。

　　4、0.39英寸的Micro-LED全彩微顯示芯片

　　研究團隊通過優(yōu)化光刻工藝，經過多次對準曝光實現了紅、綠量子點像素陣列堆疊，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，實現了1024×780個高密度像素的可控動態(tài)顯示，通過視頻數據線連接電腦或手機實現畫面播放和現實。顯示屏展現出大色域、高色彩純度、高穩(wěn)定等性能優(yōu)勢，相比于氮化鎵體系的Micro-LED器件、鈣鈦礦體系的發(fā)光器件和量子點色轉換集成的發(fā)光器件，該微顯示屏在綠光和紅光色彩亮度上遠遠超于現有技術，達到了微顯示行業(yè)的彩色屏亮度記錄。

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

　　四、總結與展望：

　　綜上所述，本文展示了一種可量產的Micro-LED全彩顯示單片集成策略，實現了極高的峰值亮度和有效工作壽命。量子點像素堆疊的Micro-LED全彩微顯示芯片展現了良好的動態(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40萬尼特的峰值亮度。這項成果是微顯示技術領域一次里程碑意義的技術突破，探索了一種微顯示芯片能夠實現量產制造的產業(yè)化路徑。

　　五、致謝：

　　感謝國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、湖南省自然科學基金的資助。

　　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