復旦大學、臺灣交通大學：Micro-LED顯示全彩化關鍵技術

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導 讀

近日，復旦大學田朋飛副教授、臺灣交通大學郭浩中教授等團隊受Progress in Quantum Electronics主編邀請對Micro-LED顯示全彩化關鍵技術「Growth, transfer printing and colour conversion techniques towards full-colour micro-LED display」進行了綜述，該review論文由復旦大學、臺灣交通大學、電子科技大學共同完成，復旦大學信息科學與工程學院博士研究生周小潔、田朋飛副教授為共同第一作者，田朋飛副教授、臺灣交通大學郭浩中教授為共同通訊作者。《Progress in Quantum Electronics》雜誌為國際知名review期刊，3年平均影響因子8.95。

文章介紹了micro-LED的結構、製備與襯底剝離技術，系統闡述了實現micro-LED顯示全彩化的主要方法：材料生長、轉移列印、色轉換。論文對三種關鍵技術的機理、實現方法、優缺點進行著重介紹，並總結了關鍵技術所面臨的挑戰及micro-LED顯示全彩化未來的發展方向（圖1.1）。

圖1.1 實現micro-LED顯示全彩化的主要方法

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研究背景

在過去幾十年，顯示技術得到了廣泛使用。我們在生活中可以看到大量的應用，例如電視、大型視頻廣告牌、計算機、智能設備等。目前，液晶顯示器（LCD）和有機發光二極體 (OLED) 顯示技術佔據顯示市場。進一步地，顯示器的各種新興應用，例如虛擬實境（VR）和增強現實（AR），促進了高性能顯示技術的發展。微發光二極體顯示器（micro-LED顯示）是一種主要基於無機GaN基LED的新興技術，與LCD和OLED相比，它具有高對比度、低功耗、長壽命和快速響應等優點。將來，micro-LED的應用可以從平板顯示器擴展到空間顯示器、可穿戴/可植入光電設備、光通信、生物醫學檢測等領域。下圖描述了未來顯示的一種應用場景：micro-LED可用作光電探測器來接收外部信號，高帶寬micro-LED發射器也可以通過顯示器並行地將信息傳輸給消費者。（圖2.1，引用文獻：X. Liu et al. ACS Photonics, 6: 3186 (2019)）高度集成的半導體信息顯示是下一代信息顯示技術的核心，它將空間3D光場顯示（LFD）、多色照明（MCL）、精確空間定位（PSP）和可見光通信技術（LiFi）集成在一起。Micro-LED陣列是一種高效、低功耗的器件，可以將驅動器、照明和信號傳輸結合在一起。儘管micro-LED具有廣闊的商業前景，但仍面臨巨大挑戰：例如尺寸減小對性能的影響，在單個晶圓上實現高密度集成以獨立尋址全彩化micro-LED顯示器，提高修復技術和產量等。

圖2.1集成micro-LED顯示和雙工可見光通信的智能Micro-LED顯示系統。（來源：田朋飛團隊發表論文ACS Photonics, 6: 3186 (2019)，相關成果被國際半導體行業的著名雜誌Semiconductor Today新聞報導。）

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主要內容

1.材料生長

Micro-LED的生長技術是獲得micro-LED顯示全彩化的方案之一，該方法可以實現超高解析度顯示。文中主要討論了納米線LED、多色量子阱（QW）結構micro-LED和納米環LED三種結構。

納米線LED的製備是利用選區生長（SAG）技術。通過控制InGaN/GaN納米線的成分來實現發光顏色的轉換。圖1呈現出了組裝納米線陣列LED和獨立納米線LED的結果圖。可以看出，隨著尺寸的增大，二者表現出不同的發射峰移動方向。（圖3.1，引用文獻：①B.H. Le et al. Advanced Materials 28 (2016) 8446-8454. ②H. Sekiguchi et al. Applied Physics Letters 96 (2010) 231104. ③Y.-H. Ra et al. Nano Letters 16 (2016) 4608-4615.）

圖3.1

多色QW結構micro-LED的顏色調控是基於QW的特殊結構，再利用能帶填充和量子限制斯塔克效應（QCSE）屏蔽的競爭關係實現發射峰的藍移。相關結構與測試結果如圖3.2所示。（圖3.2，引用文獻：S. Zhang et al. IEEE Photonics Journal 4 (2012) 1639-1646.）

圖3.2

對於納米環LED的發光顏色轉換，是通過減小壁厚度及釋放內部應變來抑制QCSE，進而促進發射峰的藍移，如圖3.3所示。（圖3.3，引用文獻：①S.-W. Wang et al. Scientific Reports 7 (2017) 42962. ②S.-W.H et al. Photonics Research 7 (2019) 416-422. ）

圖3.3

2.轉移列印

轉移列印是實現micro-LED顯示全彩化的關鍵技術。自John Rogers教授團隊利用PDMS stamp轉移micro-LED，Martin Dawson教授團隊實現納米精度PDMS轉移後，各大公司提出了不同的轉移技術。本文根據大量論文、專利的知識，主要描述了範德瓦爾斯力轉移列印、雷射選擇性釋放、靜電吸附、電磁力吸附、流體轉移五種方法。表1顯示了轉印技術的典型參數，包括關鍵材料、作用力、UPH和適用晶片尺寸。以PDMS stamp拾取技術為例，UPH隨著PDMS stamp的尺寸，像素密度和拾取周期的增加而上升。

表1

範德瓦爾斯力轉移列印是利用PDMS stamp拾取速度與材料間能量釋放率的關係來實現的，圖4為二者的關係。（圖3.4，引用文獻：X. Feng et al. Langmuir 23 (2007) 12555-12560.）

• v大於vc時，PDMS stamp和micro-LED之間的粘附性大，PDMS stamp從原始襯底拾取micro-LED
• v小於vc時，micro-LED和襯底之間的粘附性大， PDMS stamp將micro-LED列印到接收襯底上

圖3.4

雷射選擇性釋放是利用材料對雷射的不同吸收係數，引起界面的熱膨脹，從而引起犧牲層的燒蝕，使micro-LED從原始襯底轉移到接收襯底，如圖5所示。（圖3.5，引用Sony的專利。）若為GaN外延片，界面處的GaN緩衝層分解成Ga和N2，實現晶片的分離和轉移。

圖3.5

靜電吸附是利用靜電轉移頭產生吸引力或者排斥力實現對micro-LED的拾取和放置。（圖3.6，引用Apple的專利。）在拾取micro-LED階段，在吸附轉移頭和晶片上產生不同電荷，將micro-LED吸附拾取。在放置micro-LED階段，通過調節內外電極電壓差，使得電壓差為零，將micro-LED放置到接收襯底。鍵合方式包括共晶合金鍵合、瞬態液相鍵合或固態擴散鍵合。

圖3.6

電磁力吸附轉移技術有點類似於靜電吸附轉移，不同的是，該方法是通過線圈電感產生電磁力的方式，將micro-LED吸附及放下，如圖3.7所示。（圖3.7，引用ITRI的專利。）在拾取micro-LED階段，主要方式為去除犧牲層，使其處於懸空狀態，電可編程磁性模塊產生磁力，吸附拾取晶片；在列印micro-LED階段，電可編程磁性模塊通過加熱工藝將導電模塊與接收器襯底對準並接觸，從而將micro-LED與接收襯底鍵合。最後，斷電消除磁力，拾取電可編程磁性模塊。

圖3.7

相比於上述提到的轉移技術，流體轉移技術的成本更低、速度更快。這種技術是利用刷子的移動來控制流體中micro-LED的運動，最後使它落入接收襯底的井中，如圖3.8所示。（圖3.8，引用eLux的專利。）當V0 ≫ Vcrit，隨著電刷的平移和旋轉，電刷周圍的流體產生湍流，因此許多micro-LED聚集在該區域中。首先，這些micro-LED被動地向上移動，並由於湍流而高速離開基板表面；接下來，刷子繼續移動，驅動這些micro-LED開始在基板表面上向前散射，然後通過流體、振蕩、減速，最後以低於Vcrit的速度沉入井中。

• V0代表micro-LED的速度，Vcrit代表臨界捕獲速度。

V0高於Vcrit ， Micro-LED逃離井。

V0小於等於Vcrit， Micro-LED被井捕獲。

圖3.8

3.顏色轉換

顏色轉換技術是實現micro-LED顯示全彩化的另一種典型方法。這項技術最初是由Martin Dawson小組提出的。隨著這項技術的蓬勃發展，來自臺灣交通大學、復旦大學和一些公司的團隊也採用了類似的技術來實現全彩色顯示。本文主要講述了列印技術、紫外自對準固化技術和無機薄膜色轉換三種方法。

郭浩中教授團隊通過紫外/藍色micro-LED來激發紅色和綠色量子點實現紅光和綠光的發射。進一步地，他們增加了光刻模具來減小micro-LED之間的光學串擾。如圖3.9所示。（圖3.9，引用文獻：①H.-V. Han et al. Optics Express 23 (2015) 32504-32515. ②H.-Y. Lin et al. Photonics Research 5 (2017) 411-416.）

圖3.9

紫外自對準固化是Martin Dawson教授團隊提出的，利用紫外micro-LED激發摻入不同顏色納米晶體的納米複合材料，實現多色轉換。如圖3.10所示。（圖3.10，引用文獻：B. Guilhabert et al. Optics Express 16 (2008) 18933-18941.）

圖3.10

除此之外，Martin Dawson教授團隊還提出了一種與轉移列印兼容的顏色轉換方法實現無機薄膜的顏色轉換。主要是利用液相毛細管力將平面MQW無機半導體膜轉印到450 nm的micro-LED上，並成功製備了發射540 nm的光的混合型micro-LED。如圖3.11所示。（圖3.11，引用文獻：J.M.M. Santos et al. Semiconductor Science and Technology 30 (2015) 035012.）

圖3.11

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總結與展望

本文總結了近年來的各種micro-LED顯示全彩化技術，包括生長技術、轉移列印技術、顏色轉換技術。

生長技術在結構和機理的研究上已經取得了很大的進展，這在高解析度和高效率的micro-LED顯示全彩化應用中有巨大的潛力。然而，驅動器與micro-LED陣列的集成以及效率的提高是該技術面臨的巨大挑戰。轉移列印技術已被許多公司廣泛使用，但是成本和產量是該技術發展的主要障礙。顏色轉換技術可實現低成本和高PPI的micro-LED顯示全彩化。然而，材料的能量損失、低效率和不穩定性仍然是需要進一步地解決。

目前，micro-LED顯示市場仍處於起步階段，尚未大規模量產。對我們而言，這不僅是機遇，也是挑戰。許多企業（如蘋果、華星光電等）已經投資了用於micro-LED顯示全彩化的關鍵技術，例如轉移列印技術。在衍生產品方面，主要的製造商也已提前開始相關研究。對於終端應用，大型戶外和商用顯示器將首先出現，其次是汽車和可穿戴顯示器。未來，隨著世界範圍內關鍵技術地迅速發展，大面積、低成本、高效率的Micro-LED顯示屏有望成為未來的重要顯示技術。

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致謝

這項工作得到了國家自然科學基金（61974031和61705041）、上海市技術標準計劃（18DZ2206000）和國家重點 研發 計劃（2017YFB0403603）項目的支持。作者要感謝 諾貝爾獎得主中村修二教授對本文的幫助。

文章連結

Authors: Xiaojie Zhou#, Pengfei Tian#,*, Chin-Wei Sher, Jiang Wu, Hezhuang Liu, Ran Liu and Hao-Chung Kuo*

Title: Growth, transfer printing and colour conversion techniques towards full-colour micro-LED display

Published in: Progress in Quantum Electronics, doi:10.1016/j.pquantelec.2020.100263.