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复旦大学田朋飞、台湾交通大学郭浩中︱Progress in Quantum Electronics综述:Micro-LED显示全彩化关键技术
经济全球化对中国的影响一、研究背景
吴樾 车震门在过去几十年,显示技术得到了广泛使用。我们在生活中可以看到大量的应用,例如电视、大型视频广告牌、计算机、智能设备等。目前,液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED) 显示技术占据显示市场。进一步地,显示器的各种新兴应用,例如虚拟现实(VR)和增强现实(AR),促进了高性能显示技术的发展。微发光二极管显示器(micro-LED显示)是一种主要基于无机GaN基LED的新兴技术,与LCD 和OLED相比,它具有高对比度、低功耗、长寿命和快速响应等优点。将来,micro-LED的应用可以从平板显示器扩展到空间显示器、可穿戴/可植入光电设备、光通信、生物医学检测等领域。下图描述了未来显示的一种应用场景:micro-LED可用作光电探测器来接收外部信号,高带宽micro-LED发射器也可以通过显示器并行地将信息传输给消费者。(图1.1,引用文献:X. Liu et al. ACS Photonics, 6: 3186 (2019))高度集成的半导体信息显示是下一代信息显示技术的核心,它将空间3D光场显示(LFD)、多照明(MCL)、精确空间定位(PSP)和可见光通信技术(LiFi)集成在一起。Micro-LED阵列是一种高效、低功耗的器件,可以将驱动器、照明和信号传输结合在一起。尽管micro-LED具有广阔的商业前景,但仍面临巨大挑战:例如尺寸减小对性能的影响,在单个晶圆上实现高密度集成以独立寻址全彩化micro-LED显示器,提高修复技术和产量等。
何炅到底多高图1.1 集成micro-LED显示和双工可见光通信的智能Micro-LED显示系统。(来源:田朋飞团队发表论文ACS Photonics, 6: 3186 (2019),相关成果被国际半导体行业的著名杂志Semiconductor Today新闻报道。)
二、文章简介
近日,复旦大学田朋飞副教授、台湾交通大学郭浩中教授等团队受Progress in Quantum Electronics主编邀请对Micro-LED显示全彩化关键技术“Growth, transfer printing and colour conversion techniques towards full-colour micro-LED display”进行了综述
电子科技大学共同完成,复旦大学信息科学与工程学院博士研究生周小洁、田朋飞副教授为共同第一作者,田朋飞副教授、台湾交通大学郭浩中教授为共同通讯作者。《Progress in Quantum Electronics》杂志为国际知名review期刊,3年平均影响因子8.95。
文章介绍了micro-LED的结构、制备与衬底剥离技术,系统阐述了实现micro-LED显示全彩化的主要方法:材料生长、转移打印、转换。论文对三种关键技术的机理、实现方法、优缺点进行着重介绍,并总结了关键技术所面临的挑战及micro-LED显示全彩化未来的发展方向(图2.1)。
图2.1 实现micro-LED显示全彩化的主要方法
三、主要内容
1、材料生长
Micro-LED的生长技术是获得micro-LED显示全彩化的方案之一,该方法可以实现超高分辨率显示。文中主要讨论了纳米线LED、多量子阱(QW)结构micro-LED和纳米环LED三种结构。
纳米线LED的制备是利用选区生长(SAG)技术。通过控制InGaN/GaN纳米线的成分来实现发光颜的转换。图1呈现出了组装纳米线阵列LED和独立纳米线LED的结果图。可以看出,随着尺寸的增大,
二者表现出不同的发射峰移动方向。(图  3.1,引用文献: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.)
图3.1
多QW结构micro-LED的颜调控是基于QW的特殊结构,再利用能带填充和量子限制斯塔克效应(QCSE)屏蔽的竞争关系实现发射峰的蓝移。相关结构与测试结果如图  3.2所示。(图迭戈马拉多纳
3.2,引用文献:S. Zhang et al. IEEE Photonics Journal 4 (2012) 1639-1646.)
图3.2
对于纳米环LED的发光颜转换,是通过减小壁厚度及释放内部应变来抑制QCSE,进而促
进发射峰的蓝移,如图3.3所示。(图3.3,引用文献:①S.-W. Wang et al. Scientific Reports 7 (2017) 42962.
②S.-W.H et al. Photonics Research 7 (2019) 416-422.)
图3.3
2、转移打印
转移打印是实现micro-LED显示全彩化的关键技术。自John Rogers教授团队利用PDMS stamp转移micro-LED,Martin Dawson教授团队实现纳米精度PDMS转移后,各大公司提出了不同的转移技术。本文根据大量论文、专利的知识,主要描述了范德瓦尔斯力转移打印、激光选择性释放、静电吸附、电磁力吸附、流体转移五种方法。表1显示了转印技术的典型参数,包括关键材料、作用力、UPH和适用芯片尺寸。以PDMS stamp拾取技术为例,UPH随着PDMS stamp的尺寸,像素密度和拾取周期的增加而上升。
表1
范德瓦尔斯力转移打印是利用PDMS stamp拾取速度与材料间能量释放率的关系来实现的,图4为二者的关系。(图3.4,引用文献:X. Feng et al. Langmuir 23 (2007) 12555-12560.)
v大于v
c
时,PDMS stamp和micro-LED之间的粘附性大,PDMS stamp从原始衬底拾取micro-LED
v小于v
c 时,micro-LED和衬底之间的粘附性大,PDMS stamp将micro-LED打印到接收衬底上
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图3.4
激光选择性释放是利用材料对激光的不同吸收系数,引起界面的热膨胀,从而引起牺牲层的烧蚀,使micro-LED从原始衬底转移到接收衬底,如图5所示。(图3.5,引用Sony的专利。)若为GaN外延片,界面处的GaN缓冲层分解成Ga和N2,实现芯片的分离和转移。
图3.5
静电吸附是利用静电转移头产生吸引力或者排斥力实现对micro-LED的拾取和放置。(图  3.6,引用Apple的专利。)在拾取micro-LED阶段,在吸附转移头和芯片上产生不同电荷,将micro-LED吸附拾取。在放置micro-LED阶段,通过调节内外电极电压差,使得电压差为零,将micro-LED放置到接收衬底。键合方式包括共晶合金键合、瞬态液相键合或固态扩散键合。