嚴(yán)子雯，嚴(yán) 群，李典倫，張永愛(ài)，周雄圖，葉 蕓，郭太良，孫 捷*

(1.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.中國(guó)福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350117)

1 引 言

20世紀(jì)以來(lái)，隨著信息時(shí)代的發(fā)展，顯示技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的生活中，其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋從醫(yī)療、教育、娛樂(lè)到工業(yè)、軍事、航空航天的方方面面。顯示技術(shù)也從最初的陰極射線管(CRT)逐漸發(fā)展到如今的平板顯示。液晶顯示(LCD)和等離子顯示(PDP)兩種新的平板顯示技術(shù)推出后，它們憑借節(jié)能、體積較小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了占據(jù)顯示市場(chǎng)數(shù)十年的CRT。由于LCD不斷降低成本和提高性能，PDP在不久后失去了競(jìng)爭(zhēng)力，但是LCD需要使用背光通過(guò)液晶矩陣發(fā)光產(chǎn)生圖像，所以存在響應(yīng)時(shí)間慢、轉(zhuǎn)換效率低、均勻性差、色彩飽和度低等缺點(diǎn)。近年來(lái)，新型顯示技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，例如有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示、發(fā)光二極管(LED)顯示等。與LCD相比，OLED顯示是自發(fā)光顯示，無(wú)需背光、視角寬、對(duì)比度高、省電、響應(yīng)速度快、每個(gè)像素都可以獨(dú)立控制。而且，OLED的組成為固態(tài)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有液態(tài)物質(zhì)，抗機(jī)械振動(dòng)性能更好。然而，OLED顯示屏壽命相對(duì)較短，加上色彩純度不夠以及成本略高等因素，OLED的市場(chǎng)占有率并未超過(guò)LCD。LED顯示則較多用于大型戶外顯示屏，具有壽命長(zhǎng)、功耗低、亮度高、色彩飽和度高等優(yōu)點(diǎn)。目前，LED顯示技術(shù)中，像素日趨微型化。越來(lái)越多的科研人員開(kāi)始了關(guān)于微型LED(μLED)的研究[1-13]，并將其視為下一代顯示技術(shù)。

相比于LCD和OLED，μLED具有很多優(yōu)勢(shì)，如效率高、耐候性好、壽命長(zhǎng)、分辨率可以很高等，更重要的是，它可以實(shí)現(xiàn)所謂“高度集成顯示”。本文中，這一概念有兩重含義。其一，由于μLED單個(gè)像素面積極小，因此可實(shí)現(xiàn)超高分辨率顯示；其二，也可適當(dāng)降低像素密度，而在其間隙處集成微傳感器等非顯示元素，與用戶互動(dòng)。這些都是傳統(tǒng)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)的。但目前μLED尚未產(chǎn)業(yè)化，主要是因?yàn)棣蘈ED將LED器件尺寸縮小，且往往密度很高，所以許多新的技術(shù)挑戰(zhàn)隨之產(chǎn)生，如巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)和全彩化顯示等。一方面，由于難以將驅(qū)動(dòng)電路直接制備在μLED襯底上，因此需要將μLED器件從其襯底上轉(zhuǎn)移并鍵合到互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)或薄膜晶體管(TFT)驅(qū)動(dòng)電路襯底上。然而，轉(zhuǎn)移的μLED尺寸小、數(shù)量多、需要精確對(duì)位且良率至少大于99.9999%，所以這種巨量轉(zhuǎn)移是μLED公認(rèn)的一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)。另一方面，由于在GaN上制備的紅光μLED的效率比較低，所以實(shí)現(xiàn)全彩化顯示也是μLED的一個(gè)重要技術(shù)難點(diǎn)。

本文主要介紹高度集成的μLED顯示技術(shù)的研究現(xiàn)狀，將結(jié)合我們的科研實(shí)踐，分別從μLED顯示技術(shù)的基本原理、結(jié)構(gòu)與性能、驅(qū)動(dòng)方式、重點(diǎn)技術(shù)等方面進(jìn)行分析說(shuō)明，最后介紹其最新市場(chǎng)應(yīng)用，提出在顯示領(lǐng)域有革命性意義的超大規(guī)模集成半導(dǎo)體信息顯示器件(HISID)的理念，并加以評(píng)述。

2 μLED基本原理、結(jié)構(gòu)與性能

LED[14]是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的電致發(fā)光器件，其核心結(jié)構(gòu)是由半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)。當(dāng)對(duì)LED施加正向電壓時(shí)，通過(guò)電極從N區(qū)和P區(qū)分別向空間電荷區(qū)注入電子和空穴，并在結(jié)區(qū)復(fù)合發(fā)光。μLED技術(shù)就是將LED微縮化和矩陣化，其發(fā)光單元尺寸在50 μm以下，且較高密度地集成在芯片上。μLED可以通過(guò)巨量轉(zhuǎn)移的方式批量地轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)電路基板上，該基板可以為硬性或柔性、透明或不透明。然后，再利用物理氣相沉積等方法在其上制備保護(hù)層和外接電極，并進(jìn)行封裝。

制備μLED的材料一般是GaN基半導(dǎo)體。μLED主要由以下幾部分組成：襯底、緩沖層、N型半導(dǎo)體、MQWs(多量子阱)、P型半導(dǎo)體以及電極，有些還有P-AlGaN電子阻擋層。為進(jìn)一步提高性能，還可加入光柵、光子晶體、分布式布拉格反射鏡(DBR)等附加結(jié)構(gòu)。μLED芯片的結(jié)構(gòu)主要分為正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)等。如圖1(a)所示，正裝結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單且易于加工，但是由于頂部需要制備電極因而使得出光面積減少，且散熱性能較差；倒裝結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，相比較于正裝結(jié)構(gòu)，光提取效率更高，器件的散熱性能、可靠性和壽命也都得到了提高。

圖1 (a)μLED正裝結(jié)構(gòu)；(b)μLED倒裝結(jié)構(gòu)。

3 μLED顯示的驅(qū)動(dòng)

μLED的驅(qū)動(dòng)方式主要有兩種模式：無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)和有源尋址驅(qū)動(dòng)。

3.1 無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)(PM)

無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)[15]是指在μLED陣列中使用金屬連線分別將每列像素陽(yáng)極相連，每行像素陰極相連，由外加行列控制器對(duì)行列電極進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。圖2是無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)的典型電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)趚行和第y列選通時(shí)，其交點(diǎn)(x,y)處像素被點(diǎn)亮。使用無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)方式對(duì)屏幕高速地逐點(diǎn)掃描，就可以實(shí)現(xiàn)全屏畫面顯示。無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)和制備方面具有成本優(yōu)勢(shì)。圖3是典型的無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)陣列的剖面和三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)

圖3 無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)陣列。(a)剖面圖;(b)3D結(jié)構(gòu)圖。

3.2 有源尋址驅(qū)動(dòng)(AM)

典型的有源尋址驅(qū)動(dòng)[16-18]方式一般是指采用金屬鍵合工藝將μLED芯片倒裝在驅(qū)動(dòng)基板上(如CMOS)，每個(gè)像素的陰極通過(guò)共用N型GaN連接，陽(yáng)極則與CMOS驅(qū)動(dòng)基板金屬鍵合。使用這種方式，每個(gè)像素都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，可以方便地單獨(dú)尋址控制。有源尋址驅(qū)動(dòng)方式中，經(jīng)常使用兩個(gè)晶體管一個(gè)電容(2T1C)驅(qū)動(dòng)電路，如圖4所示。每個(gè)μLED的電流控制通過(guò)尋址晶體管T1、驅(qū)動(dòng)晶體管T2和一個(gè)存儲(chǔ)電容C實(shí)現(xiàn)。信號(hào)存儲(chǔ)在電容中，使得像素器件處于保持狀態(tài)，直至下一幀信號(hào)刷新，從而在整個(gè)周期產(chǎn)生所需的連續(xù)電流[12]。此處介紹2T1C結(jié)構(gòu)是因?yàn)樗怯性打?qū)動(dòng)的一種基本電路，簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，但其本質(zhì)是電壓控制電流源，而μLED是電流型器件，所以該電路較難控制顯示灰度。更精細(xì)的設(shè)計(jì)，例如4T2C電路，是一種電流控制電流源的電流比例型驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)實(shí)現(xiàn)μLED的灰階更有利，此處不詳述。

圖4 2T1C有源尋址驅(qū)動(dòng)電路圖

目前主要有整片轉(zhuǎn)移和晶粒轉(zhuǎn)移兩種方式來(lái)組裝有源尋址驅(qū)動(dòng)μLED。整片轉(zhuǎn)移方式是將外延片制成μLED陣列后，整體倒裝在驅(qū)動(dòng)基板上，但由于目前很難在同一基板上有選擇地生長(zhǎng)不同顏色的μLED，所以很難實(shí)現(xiàn)全彩化。晶粒轉(zhuǎn)移方式是將μLED襯底切割成單晶粒，通過(guò)巨量轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)基板上。但是當(dāng)前巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)還不成熟，所以組裝成本較高。

3.3 兩種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比

與無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)方式相比，有源尋址驅(qū)動(dòng)方式更適合應(yīng)用在μLED器件中，它有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

雖然無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，但是也存在許多不足：它采用共行共列的電極，會(huì)產(chǎn)生較大的寄生電阻和電容，導(dǎo)致功耗大；驅(qū)動(dòng)電壓較高時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流從選定像素通過(guò)，但其周圍像素也會(huì)受到電流影響，產(chǎn)生像素串?dāng)_，影響顯示質(zhì)量；由于外部集成電路的驅(qū)動(dòng)能力有限，每個(gè)像素的亮度受這一行或列中已經(jīng)亮起像素的數(shù)量影響，當(dāng)行或列亮起的像素個(gè)數(shù)不同時(shí)，施加到每個(gè)像素上的驅(qū)動(dòng)電流不同，亮度產(chǎn)生差異，對(duì)于大面積的顯示應(yīng)用而言，會(huì)極大地影響屏幕亮度的均勻性及對(duì)比度；對(duì)于彩色μLED陣列，單個(gè)像素中包含3種不同的μLED，每種μLED需要的驅(qū)動(dòng)電壓不同，需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路，使得驅(qū)動(dòng)的難度增大。圖3為無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)陣列剖面圖和3D結(jié)構(gòu)圖。因?yàn)樾枰羁涛g到襯底以確保每個(gè)μLED之間都是電學(xué)隔離的，所以電極經(jīng)過(guò)深隔離槽時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)斷裂，器件可靠性降低，并且這種結(jié)構(gòu)使得發(fā)光單元的間距增大，像素密度受到影響。所以無(wú)源尋址驅(qū)動(dòng)方式不是非常適合于大尺寸和超高分辨率的顯示。

與此相反，對(duì)于有源尋址驅(qū)動(dòng)方式，其驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)速度更快，所以更加適合大面積和高分辨率的μLED顯示；有源尋址驅(qū)動(dòng)方式無(wú)行列掃描損耗，功耗更小，效率更高；有源尋址驅(qū)動(dòng)方式的亮度均勻性和對(duì)比度也較好；每個(gè)像素都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，被點(diǎn)亮像素不影響周圍的像素，可以較好地解決串?dāng)_問(wèn)題。

4 μLED巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)

μLED巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)主要是指將生長(zhǎng)在外延襯底上的μLED陣列快速精準(zhǔn)地轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)電路基板上，并與驅(qū)動(dòng)電路之間形成良好的電氣連接和機(jī)械固定的技術(shù)，也是當(dāng)前限制μLED產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)瓶頸技術(shù)，能否大量、快速、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)移μLED芯片到目標(biāo)基板上決定著μLED是否能夠真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)在μLED顯示中之所以十分必要，主要是由于以下幾點(diǎn)：由于GaN μLED外延片與GaN晶體管外延片結(jié)構(gòu)差異很大，在GaN μLED外延片上直接制備基于GaN晶體管的驅(qū)動(dòng)電路需要二次外延生長(zhǎng)，工藝復(fù)雜且可靠性較差，因此需要巨量轉(zhuǎn)移μLED到另外的驅(qū)動(dòng)襯底上；為了實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備，需要將μLED轉(zhuǎn)移到柔性或可拉伸襯底上；有時(shí)需要通過(guò)巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)來(lái)有選擇地轉(zhuǎn)移部分μLED，以匹配不同分辨率顯示設(shè)備的像素間距；巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)可以用于實(shí)現(xiàn)μLED全彩化顯示，亦即通過(guò)巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)分別將紅綠藍(lán)(RGB)三色μLED晶粒轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)電路基板上，以實(shí)現(xiàn)全彩化；HISID器件中，也需要采用巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)加入非顯示元件等。

表1 主要巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)

目前μLED巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)主要有流體自組裝技術(shù)、印章抓取技術(shù)、選擇性釋放技術(shù)、滾軸轉(zhuǎn)印技術(shù)等。

4.1 流體自組裝技術(shù)(FSA)

流體自組裝技術(shù)[19-20]是通過(guò)重力和毛細(xì)管力驅(qū)動(dòng)并捕獲μLED至驅(qū)動(dòng)電路基板的一種轉(zhuǎn)移方式。自組裝一般是在液體中進(jìn)行，μLED在液體中懸浮并在目標(biāo)基板表面流動(dòng)，到達(dá)被捕獲的位置，與目標(biāo)基板表面合金接觸并與目標(biāo)基板形成電氣連接。Cho等[21]采用流體自組裝方式，將圓形芯片、表面具有低熔點(diǎn)合金涂層的基板和組裝溶液放入玻璃小瓶，加熱并振蕩，芯片在流動(dòng)時(shí)被低熔點(diǎn)合金捕獲并與基板形成電氣連接，在1 min內(nèi)將19 000多塊直徑為45 μm的藍(lán)色μLED組裝在基板上，成功率達(dá)99.9%。

4.2 印章抓取技術(shù)

印章抓取技術(shù)是指通過(guò)范德華力、磁力或者靜電力將μLED芯片黏附在轉(zhuǎn)移用的印章上，然后放置在目標(biāo)基板上[22]。X-Celeprint[23]在2015年提出一種彈性印章技術(shù)，如圖5所示，彈性印章一般由聚二甲基硅氧烷(PDMS)為載體。為了使μLED芯片更好地被印章抓取并脫離原基板，在制備μLED過(guò)程中加入一層犧牲層，去除犧牲層后，μLED器件與原基板中間有一部分鏤空。印章和器件之間通過(guò)范德華力結(jié)合，提起印章將使器件與原基板鏤空處的連接斷裂，并按原有陣列排布的格局轉(zhuǎn)移到印章上，良率大于99.9%。ITRI提出將μLED中混入鐵鈷鎳等材料，通過(guò)電磁力控制芯片抓取。LuxVue[24]提出采用靜電力抓取芯片，通過(guò)對(duì)印章施加正負(fù)電壓來(lái)控制μLED的抓取和放置。

圖5 印章抓取技術(shù)示意圖

4.3 選擇性釋放技術(shù)

選擇性釋放技術(shù)[25]是使用激光束將μLED從襯底上剝離，然后再轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上。如圖6所示，在激光照射下，原始襯底與μLED的界面處發(fā)生反應(yīng)，分解界面層，μLED脫離襯底，同時(shí)有局部的機(jī)械力將μLED推向目標(biāo)基板。目前有報(bào)道使用大規(guī)模并行激光轉(zhuǎn)移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)1億次以上的轉(zhuǎn)移效率。

圖6 選擇性釋放技術(shù)示意圖

4.4 滾軸轉(zhuǎn)印技術(shù)

滾軸轉(zhuǎn)印技術(shù)[26]是由韓國(guó)KIMM提出的一種μLED轉(zhuǎn)移方式，可以用于轉(zhuǎn)移厚度小于10 μm、尺寸小于100 μm的μLED芯片。這個(gè)方法可以用于柔性、可拉伸和輕量級(jí)的顯示設(shè)備，轉(zhuǎn)移速率高達(dá)每秒10 000個(gè)。如圖7所示，首先利用涂覆一次性轉(zhuǎn)移膜的滾輪將TFT陣列拾取并放置在臨時(shí)基板上；然后將μLED用同樣的方法拾取放置在有TFT的臨時(shí)基板上，與TFT焊接；最后，將μLED和TFT互聯(lián)陣列滾動(dòng)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底上。

圖7 滾軸轉(zhuǎn)印技術(shù)示意圖

目前，與流體自組裝技術(shù)、選擇性釋放技術(shù)、滾軸轉(zhuǎn)印技術(shù)相比，有關(guān)印章抓取技術(shù)的研究更加廣泛。我們認(rèn)為，這種技術(shù)是更有可能使μLED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)。流體自組裝技術(shù)雖然轉(zhuǎn)移方式簡(jiǎn)單、成本低、可以并行組裝，但是這種方式組裝成品率低，對(duì)芯片形狀有要求，并且需要解決如何將芯片準(zhǔn)確定位于結(jié)合點(diǎn)這個(gè)問(wèn)題；滾軸轉(zhuǎn)印技術(shù)雖然工藝步驟比之前減少，生產(chǎn)速度有所提高，但是技術(shù)難度較大，很難保證生產(chǎn)良率。相比之下，印章抓取技術(shù)則可以有效地實(shí)現(xiàn)大批量有選擇性的轉(zhuǎn)移。該方法可控性強(qiáng)、轉(zhuǎn)移效率高、成品率高、印章易于加工且靈活性大，因此我們認(rèn)為相比較于其他幾種轉(zhuǎn)移方式，印章抓取技術(shù)更有可能成為日后進(jìn)行巨量轉(zhuǎn)移的主要轉(zhuǎn)移方法。下一階段應(yīng)主要追求進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性和降低技術(shù)成本。

5 μLED彩色化技術(shù)

對(duì)于大多數(shù)顯示器而言，其顯示的圖像都需要全色(紅、綠、藍(lán)三原色組成)，因此μLED顯示的彩色化也是一個(gè)重要的研究方向。目前主流的彩色化方式有3種：三色RGB法、短波長(zhǎng)μLED+發(fā)光介質(zhì)法以及將圖像色彩化的透鏡合成法。

5.1 三色RGB法

三色RGB法是指分別在不同的襯底上外延并制作紅色、綠色、藍(lán)色的μLED芯片，然后將其切割，轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上。Peng等[27]利用垂直結(jié)構(gòu)的紅光μLED器件和正裝結(jié)構(gòu)的藍(lán)、綠光μLED器件，通過(guò)板上芯片(COB)技術(shù)在石英襯底上制備了全彩μLED顯示器。如圖8所示，這種全彩技術(shù)中，每個(gè)像素中都包含RGB 3個(gè)μLED器件，通過(guò)不同電流來(lái)控制亮度，使得三原色混合實(shí)現(xiàn)全彩化。但是，這種方式也存在一些問(wèn)題待解決：RGB 3種μLED所使用的材料不同，所以壽命、溫度等方面的性能也不相同；需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)維持工作；需要將3種不同的μLED轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上，對(duì)巨量轉(zhuǎn)移要求很高。例如，制造一個(gè)4k分辨率的顯示器，需要將2 500萬(wàn)個(gè)μLED精確地(誤差在1 μm以下)組裝和連接在基板上，轉(zhuǎn)移如此大量的3個(gè)不同的μLED是非常困難的。

圖8 三色RGB法陣列

5.2 短波長(zhǎng)μLED+發(fā)光介質(zhì)法

短波長(zhǎng)μLED+發(fā)光介質(zhì)法是指利用沉積在短波長(zhǎng)μLED上的發(fā)光介質(zhì)(目前常用熒光粉或者量子點(diǎn))作為顏色轉(zhuǎn)換層來(lái)實(shí)現(xiàn)全彩化顯示。2020年，Kim等[28]使用光固化丙烯酸材料與納米有機(jī)復(fù)合材料的混合物，通過(guò)光刻技術(shù)在藍(lán)光μLED上沉積紅色、綠色顏色轉(zhuǎn)換層。該轉(zhuǎn)換層在底部藍(lán)光照射下光致發(fā)光，產(chǎn)生紅光和綠光，與無(wú)轉(zhuǎn)換層的藍(lán)光混合形成白光，實(shí)現(xiàn)全彩顯示。為避免像素間顏色串?dāng)_，還在μLED之間沉積了黑色膠。Li等[29]在藍(lán)寶石上制備藍(lán)/綠雙波長(zhǎng)μLED器件，使用紅色量子點(diǎn)作為顏色轉(zhuǎn)換層實(shí)現(xiàn)了全彩顯示，與其他報(bào)道的結(jié)果相比，提高了量子點(diǎn)的轉(zhuǎn)換效率。Zhuang等[30]在紫光/藍(lán)光μLED上制備納米孔陣列并填充量子點(diǎn)，形成白光光源。這些有序的納米孔陣列作為光子晶體，與無(wú)納米孔陣列的平面結(jié)構(gòu)相比，光的提取效率顯著增強(qiáng)。

本課題組先通過(guò)在藍(lán)光μLED臺(tái)面上用納米壓印和干法刻蝕的方法制備納米孔陣列，再填入對(duì)高溫有較強(qiáng)耐受性的紅光量子點(diǎn)，成功地實(shí)現(xiàn)了將藍(lán)光高效地轉(zhuǎn)換成紅光，如圖9所示。

圖9 使用納米孔結(jié)構(gòu)的藍(lán)光μLED的色彩轉(zhuǎn)換。(a)填入量子點(diǎn)后納米孔SEM圖;(b)填入紅色量子點(diǎn)后μLED發(fā)光圖。

短波長(zhǎng)μLED+發(fā)光介質(zhì)法可以回避目前很難將μLED芯片巨量轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板的問(wèn)題，它也無(wú)需復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。但這個(gè)方法需要將顏色轉(zhuǎn)換層精確地放置在尺寸很小的像素上，并且由于顏色轉(zhuǎn)換層會(huì)吸收部分能量，所以整體的亮度和色彩轉(zhuǎn)換效率都較低。目前常用的熒光粉材料的顆粒尺寸大，對(duì)于小尺寸的像素容易造成沉積不均勻，量子點(diǎn)材料尺寸小，但是材料存在穩(wěn)定性較差且壽命短等缺點(diǎn)。

5.3 透鏡合成法

透鏡合成法是指通過(guò)透鏡將紅光、綠光和藍(lán)光進(jìn)行合成，從而實(shí)現(xiàn)彩色化的方法，但是這種方法中像素仍為單色，它只是一種將圖像彩色化的方式。2013年，Liu等[31]使用三色棱鏡和投影透鏡來(lái)制備全彩微顯示器。如圖10所示，分別制備紅色、綠色和藍(lán)色的微顯示器，使用三色棱鏡將從3個(gè)單獨(dú)控制的微顯示器產(chǎn)生的圖案組合成彩色的圖像，再通過(guò)在三色棱鏡前增加投影透鏡，可以調(diào)整圖像顏色并將圖像投影到屏幕。投影出來(lái)的顏色可以通過(guò)改變3個(gè)單色微顯示器的強(qiáng)度來(lái)調(diào)整。這種方法在技術(shù)上較易實(shí)現(xiàn)，但僅限于在投影技術(shù)方面的應(yīng)用。

圖10 透鏡合成法示意圖

6 μLED產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，μLED的潛在市場(chǎng)主要是平板顯示。隨著消費(fèi)者對(duì)于節(jié)能、亮度、分辨率等方面需求的提高，以及μLED技術(shù)不斷地發(fā)展，μLED市場(chǎng)將不斷地增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)際市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Research and Markets的預(yù)測(cè)，全球潛在μLED顯示市場(chǎng)2025年將達(dá)到205億美元。手機(jī)、智能手表、電視、筆記本電腦、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)等設(shè)備的需求，是市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要原因。隨著μLED顯示的優(yōu)勢(shì)日益凸顯，國(guó)內(nèi)外大批企業(yè)都開(kāi)始著手μLED顯示的研發(fā)。2012年，索尼公司首先將μLED顯示技術(shù)在消費(fèi)電子領(lǐng)域試用，在國(guó)際消費(fèi)電子展(International Consumer Electronics Show)上展出了尺寸為55寸的“Crystal LED Display”電視，其上像素約600萬(wàn)個(gè)，亮度約400 cd/m2。2014年，蘋果公司收購(gòu)了擁有多項(xiàng)μLED顯示技術(shù)專利的LuxVue公司，將μLED技術(shù)用于Apple Watch及AR/VR方面。2019年，三星推出75英寸μLED電視，芯片尺寸為之前的1/15，PPI較之前增加了4倍左右。在國(guó)內(nèi)，重慶惠科與Mikro Mesa于2017年初創(chuàng)立μLED面板實(shí)驗(yàn)室。2019年，京東方公司與美國(guó)Rohinni成立μLED合資公司，主要針對(duì)μLED顯示器和Mini LED背光方面進(jìn)行研發(fā)。

7 μLED應(yīng)用前景

如前所述，μLED的效率、速度、壽命、亮度及分辨率都很高，同時(shí)具備輕薄、省電和全天候使用的優(yōu)勢(shì)，使得它在顯示方面的應(yīng)用尤為突出。初期應(yīng)用包括柔性、透明顯示屏，AR/VR的微顯示、中小尺寸車載/機(jī)載顯示和大尺寸顯示屏等。

本實(shí)驗(yàn)室率先提出HISID的概念，得到了國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)(SID)的認(rèn)可。由于μLED器件尺寸在微米級(jí)，遠(yuǎn)小于正常顯示像素(通常在幾百微米或更大)，發(fā)光的μLED芯片面積往往只占像素全部面積的千分之一，所以有足夠的空間來(lái)通過(guò)巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)集成微型集成電路(IC)和各類微米級(jí)傳感器等非顯示元件，并使之成為交互式富媒體信息顯示終端，即HISID。其產(chǎn)品形態(tài)已經(jīng)不是傳統(tǒng)的顯示屏，而很有可能有機(jī)地融入在室內(nèi)和戶外裝潢之中。它將擁有許多非顯示功能，甚至可以與用戶進(jìn)行一定程度的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“浸入式”效果，特別是在游戲、影視領(lǐng)域潛力巨大。若能實(shí)現(xiàn)基于μLED的照明、空間三維顯示、空間定位及信息通信高度集成的系統(tǒng)，并將μLED引入人工智能技術(shù)完成高度智能型高速信息交互空間網(wǎng)絡(luò)，這將成為繼互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信之后的第三代信息高速網(wǎng)絡(luò)，在民生和軍事上具有重大戰(zhàn)略性意義，同時(shí)也可以促成可交互的富媒體嶄新產(chǎn)業(yè)。目前，本實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合外延、顯示、封裝龍頭企業(yè)及科研院所，正在積極推進(jìn)HISID研究，力爭(zhēng)使我國(guó)在新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中先發(fā)制人。

8 結(jié) 論

本文介紹了μLED顯示技術(shù)的研究和進(jìn)展情況，對(duì)μLED的基本原理和結(jié)構(gòu)、重點(diǎn)技術(shù)以及研究發(fā)展現(xiàn)狀都做出了分析。μLED相比OLED、LCD等顯示技術(shù)有著顯著的優(yōu)勢(shì)，但是目前還面臨許多問(wèn)題亟待解決，如巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)、全彩化方案、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以及后續(xù)的檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)都尚不成熟，這些問(wèn)題直接影響μLED顯示的量產(chǎn)和商業(yè)發(fā)展。這些問(wèn)題多為工程技術(shù)問(wèn)題而非本征性科學(xué)問(wèn)題，產(chǎn)學(xué)兩界現(xiàn)在正在對(duì)其進(jìn)行廣泛的研究。結(jié)合μLED在可穿戴、AR/VR等高端顯示方面的巨大潛力，我們有理由期待未來(lái)的研究在這些領(lǐng)域中取得突破，實(shí)現(xiàn)μLED顯示技術(shù)光明的前景。在μLED走向產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中，各國(guó)處在同一起跑線上，只要我們抓住機(jī)遇，就能掌握核心技術(shù)和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，避免在未來(lái)顯示中被“卡脖子”。