量子點像素堆疊的全彩Micro-LED單片集成技術
來源:科匠文化 編輯:ZZZ 2024-10-14 09:27:36 加入收藏
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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)過多次對準曝光實現(xiàn)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(xiàn)了1024×780個高密度像素的可控動態(tài)顯示,通過視頻數(shù)據(jù)線連接電腦或手機實現(xiàn)畫面播放和現(xiàn)實。顯示屏展現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)的Micro-LED全彩顯示單片集成策略,實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)量產(chǎn)制造的產(chǎn)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
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