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(lián)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酰基和硅烷基團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?；交?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