中科院長春光機所應用光學國家重點實驗室梁靜秋研究團隊探索了幾種全彩色Micro-LED微顯示的方法。
Micro-LED 顯示技術是近年來繼OLED 顯示技術后最受關注的平板顯示技術。作為固體主動發光器件，Micro-LED具有工作電壓低、發光效率高、響應速度快、性能穩定可靠、工作溫度范圍寬等優點，在電視、電腦、微型投影機、無掩膜光刻、手機、手表、AR、VR 等中小型和微型顯示器件中具有重要的應用需求。
Micro-LED在2000年左右被首次提出。2004年，英國斯特克萊德大學研究團隊使用干法刻蝕技術制作出GaN基藍光Micro-LED陣列，像素大小為20μm，像素數為128×96。2006年，長春光機所梁靜秋研究團隊利用分層濕法腐蝕制備了AlGaInP紅光Micro-LED陣列，像素大小為16μm×20μm，像素數量為1000×818。2011年，美國德克薩斯州立大學研究團隊制作出像素大小為15μm的GaN基綠光Micro-LED陣列，像素數為640×480。2014年，蘋果公司收購Lux Vue，正式入場Micro-LED的技術研究，Micro-LED技術也進入了大眾的視野。
在Micro-LED 器件發展過程中，國際上的研究工作多集中于紅光、藍綠光和紫外光等單色Micro-LED 器件的結構、制作工藝、器件特性等方面。圖1以藍寶石襯底外延片為例，給出了Micro-LED的結構和簡要制備流程。外延層通常包括 GaN 緩沖層、n 型 GaN、InGaN/GaN 多量子阱、AlGaN 電子阻擋層和 p- GaN 層等。Micro LED的制作流程通常包括ICP臺面刻蝕、n電極金屬沉積、SiO2 層沉積、p電極沉積及退火等。
圖 1 Micro-LED的簡要制備流程
隨著對Micro-LED 顯示器件應用需求的日益迫切，全彩色Micro-LED 器件制備技術也逐漸成為了研究熱點。常規的紅、綠、藍三色LED通常不能在同一基板上同時生長，迄今為止，大多數的研究主要集中在單色顯示方面。為了實現全彩色Micro-LED微顯示，梁靜秋團隊的研究人員進行了如下探索。
1.三色集成全彩色Micro-LED微顯示
通過轉移紅綠藍三色Micro-LED發光芯片到硅基驅動電路，制作了全彩色可獨立尋址微型顯示器件。使用硅片作為基底，通過光刻和磁控濺射制造金屬化圖案，金屬化圖案由金屬焊盤和導線組成。顯示器件的每個像素由紅色，綠色和藍色Micro-LED芯片組成。圖2為制作的Micro-LED微顯示器，紅綠藍三色從上至下行掃描整個顯示陣列。
圖 2 Micro-LED微顯示器
紅綠藍Micro-LED芯片均為倒裝芯片，大小形狀相同或相近，采用倒裝鍵合工藝制作，具有良好的工藝一致性，而且制作周期短，效率高。由于無需引線鍵合，陽極焊盤可以設置在Micro-LED的下面，有利于進一步減小全彩像素單元尺寸。這種微顯示器具有高亮度和寬工作溫度范圍的特點，在室內/室外應用中具有巨大的潛力。
2.單片集成量子點Micro-LED微顯示器件
通過采用量子點材料制備了匹配藍光Micro-LED 陣列的量子點色轉換層，實現了Micro-LED 陣列器件全彩化。全彩器件由藍光Micro-LED、紅光量子點、綠光量子點組成。藍光Micro-LED同時作為激發光照射到量子點材料，分別輻射出紅光和綠光，如圖3所示。
圖 3 單片集成量子點Micro-LED微顯示器示意圖
量子點色轉換層基板的制備流程如下。首先，在透明玻璃基板表面蒸鍍長波通濾光膜，通過飛秒激光對濾光膜層分區刻蝕；然后，在濾光膜層表面制備PDMS聚合物膜層；最后，在其上制備紅光和綠光量子點像素單元。將制備的色轉換層與藍光Micro-LED陣列集成，以實現全彩顯示。圖4為有無濾光膜情況下的單片集成量子點Micro-LED微顯示陣列對比。無濾光膜時，大量藍光穿透量子點色轉換層，產生大量藍光背景光，造成量子點像素單元發光時色純度降低，影響了器件顯示能力；而有濾光膜后，濾光膜有效抑制了藍光出射，提高了紅光和綠光像素單元發光色純度。
圖 4 無濾光膜和有濾光膜時的單片集成量子點Micro-LED微顯示器陣列
通過無毒InP/ZnS核殼量子點材料實現基于藍光Micro-LED陣列的全彩色顯示器件，可以發揮環境友好型量子點材料優異的光致發光特性，提升全彩Micro-LED顯示器件的顯示品質。
3. 三色合成Micro-LED微投影顯示
分別制作紅、綠、藍單片Micro-LED顯示陣列，通過光學系統合光并投影到接收屏上，實現Micro-LED全彩微投影顯示。
圖 5 Micro-LED微投影顯示示意圖
紅光Micro-LED顯示陣列由AlGaInP-LED制作。通過刻蝕、填充正面與背面隔離溝道、沉積p電極、n電極和退火等工藝制作紅光Micro-LED顯示陣列，顯示效果如圖6所示。綠光與藍光Micro-LED顯示陣列均采用藍寶石襯底的GaN外延片，制作流程如圖6所示。
圖 6 紅光Micro-LED顯示陣列
光學系統作為Micro-LED微投影顯示的關鍵，對成像效果有著至關重要的作用。微投影系統將顯示芯片上的圖像真實地加以還原，在投影屏幕上投射出清晰畫面。圖7為Micro-LED微投影顯示光學系統示意圖。該光學系統具有體積小，結構簡單，投影效果好，易加工生產等諸多優勢。
圖 7 Micro-LED微投影顯示光學系統示意圖
挑戰與展望
Micro-LED全彩微顯示的實現面臨的一些挑戰：
（1）如何滿足Micro-LEDs批量制造、轉移、集成技術和裝備需求；
（2）如何提高Micro-LEDs良率；
（3）適用于Micro-LED微顯示的高效低成本有源驅動方案；
（4）如何提高基于量子點的Micro-LED器件壽命。
雖然Micro-LED微顯示技術也許在短時間內還不能成為主流顯示技術，但經過科研人員的共同努力，會有越來越多的技術得以突破，而Micro-LED微顯示技術也終將會推動顯示行業繼續蓬勃發展。
