在過去幾十年，顯示技術(shù)得到了廣泛使用。我們在生活中可以看到大量的應(yīng)用，例如電視、大型視頻廣告牌、計算機(jī)、智能設(shè)備等。目前，液晶顯示器（LCD）和有機(jī)發(fā)光二極管 (OLED) 顯示技術(shù)占據(jù)顯示市場。進(jìn)一步地，顯示器的各種新興應(yīng)用，例如虛擬現(xiàn)實（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（AR），促進(jìn)了高性能顯示技術(shù)的發(fā)展。微發(fā)光二極管顯示器（micro-LED顯示）是一種主要基于無機(jī)GaN基LED的新興技術(shù)，與LCD和OLED相比，它具有高對比度、低功耗、長壽命和快速響應(yīng)等優(yōu)點。將來，micro-LED的應(yīng)用可以從平板顯示器擴(kuò)展到空間顯示器、可穿戴/可植入光電設(shè)備、光通信、生物醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域。
下圖描述了未來顯示的一種應(yīng)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(fā)射器也可以通過顯示器并行地將信息傳輸給消費者。（圖1.1，引用文獻(xiàn)：X. Liu et al. ACS Photonics, 6: 3186 (2019)）高度集成的半導(dǎo)體信息顯示是下一代信息顯示技術(shù)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(shù)（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(qū)動器、照明和信號傳輸結(jié)合在一起。盡管micro-LED具有廣闊的商業(yè)前景，但仍面臨巨大挑戰(zhàn)：例如尺寸減小對性能的影響，在單個晶圓上實現(xiàn)高密度集成以獨立尋址全彩化micro-LED顯示器，提高修復(fù)技術(shù)和產(chǎn)量等。
圖1.1 集成micro-LED顯示和雙工可見光通信的智能Micro-LED顯示系統(tǒng)。（來源：田朋飛團(tuán)隊發(fā)表論文ACS Photonics, 6: 3186 (2019)，相關(guān)成果被國際半導(dǎo)體行業(yè)的著名雜志Semiconductor Today新聞報道。）
二、文章簡介
近日，復(fù)旦大學(xué)田朋飛副教授、臺灣交通大學(xué)郭浩中教授等團(tuán)隊受Progress in Quantum Electronics主編邀請對Micro-LED顯示全彩化關(guān)鍵技術(shù)“Growth, transfer printing and colour conversion techniques towards full-colour micro-LED display”進(jìn)行了綜述（https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2020.100263），該review論文由復(fù)旦大學(xué)、臺灣交通大學(xué)、電子科技大學(xué)共同完成，復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)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(xué)郭浩中教授為共同通訊作者。《Progress in Quantum Electronics》雜志為國際知名review期刊，3年平均影響因子8.95。
文章介紹了micro-LED的結(jié)構(gòu)、制備與襯底剝離技術(shù)，系統(tǒng)闡述了實現(xiàn)micro-LED顯示全彩化的主要方法：材料生長、轉(zhuǎn)移打印、色轉(zhuǎn)換。論文對三種關(guān)鍵技術(shù)的機(jī)理、實現(xiàn)方法、優(yōu)缺點進(jìn)行著重介紹，并總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)及micro-LED顯示全彩化未來的發(fā)展方向（圖2.1）。
圖2.1 實現(xiàn)micro-LED顯示全彩化的主要方法
三、主要內(nèi)容
1、材料生長
Micro-LED的生長技術(shù)是獲得micro-LED顯示全彩化的方案之一，該方法可以實現(xiàn)超高分辨率顯示。文中主要討論了納米線LED、多色量子阱（QW）結(jié)構(gòu)micro-LED和納米環(huán)LED三種結(jié)構(gòu)。
納米線LED的制備是利用選區(qū)生長（SAG）技術(shù)。通過控制InGaN/GaN納米線的成分來實現(xiàn)發(fā)光顏色的轉(zhuǎn)換。圖1呈現(xiàn)出了組裝納米線陣列LED和獨立納米線LED的結(jié)果圖。可以看出，隨著尺寸的增大，二者表現(xiàn)出不同的發(fā)射峰移動方向。（圖3.1，引用文獻(xiàn)：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(jié)構(gòu)micro-LED的顏色調(diào)控是基于QW的特殊結(jié)構(gòu)，再利用能帶填充和量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）屏蔽的競爭關(guān)系實現(xiàn)發(fā)射峰的藍(lán)移。相關(guān)結(jié)構(gòu)與測試結(jié)果如圖3.2所示。（圖3.2，引用文獻(xiàn)：S. Zhang et al. IEEE Photonics Journal 4 (2012) 1639-1646.）
圖3.2
對于納米環(huán)LED的發(fā)光顏色轉(zhuǎn)換，是通過減小壁厚度及釋放內(nèi)部應(yīng)變來抑制QCSE，進(jìn)而促進(jìn)發(fā)射峰的藍(lán)移，如圖3.3所示。（圖3.3，引用文獻(xiàn)：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(zhuǎn)移打印
轉(zhuǎn)移打印是實現(xiàn)micro-LED顯示全彩化的關(guān)鍵技術(shù)。自John Rogers教授團(tuán)隊利用PDMS stamp轉(zhuǎn)移micro-LED，Martin Dawson教授團(tuán)隊實現(xiàn)納米精度PDMS轉(zhuǎn)移后，各大公司提出了不同的轉(zhuǎn)移技術(shù)。本文根據(jù)大量論文、專利的知識，主要描述了范德瓦爾斯力轉(zhuǎn)移打印、激光選擇性釋放、靜電吸附、電磁力吸附、流體轉(zhuǎn)移五種方法。表1顯示了轉(zhuǎn)印技術(shù)的典型參數(shù)，包括關(guān)鍵材料、作用力、UPH和適用芯片尺寸。以PDMS stamp拾取技術(shù)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
范德瓦爾斯力轉(zhuǎn)移打印是利用PDMS stamp拾取速度與材料間能量釋放率的關(guān)系來實現(xiàn)的，圖4為二者的關(guān)系。（圖3.4，引用文獻(xiàn)：X. Feng et al. Langmuir 23 (2007) 12555-12560.）
◆v大于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小于vc時，micro-LED和襯底之間的粘附性大， PDMS stamp將micro-LED打印到接收襯底上
圖3.4
激光選擇性釋放是利用材料對激光的不同吸收系數(shù)，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(zhuǎn)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緩沖層分解成Ga和N2，實現(xiàn)芯片的分離和轉(zhuǎn)移。
圖3.5
靜電吸附是利用靜電轉(zhuǎn)移頭產(chǎn)生吸引力或者排斥力實現(xiàn)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(zhuǎn)移頭和芯片上產(chǎn)生不同電荷，將micro-LED吸附拾取。在放置micro-LED階段，通過調(diào)節(jié)內(nèi)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(tài)液相鍵合或固態(tài)擴(kuò)散鍵合。
圖3.6
電磁力吸附轉(zhuǎn)移技術(shù)有點類似于靜電吸附轉(zhuǎn)移，不同的是，該方法是通過線圈電感產(chǎn)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，使其處于懸空狀態(tài)，電可編程磁性模塊產(chǎn)生磁力，吸附拾取芯片；在打印micro-LED階段，電可編程磁性模塊通過加熱工藝將導(dǎo)電模塊與接收器襯底對準(zhǔn)并接觸，從而將micro-LED與接收襯底鍵合。最后，斷電消除磁力，拾取電可編程磁性模塊。
圖3.7
相比于上述提到的轉(zhuǎn)移技術(shù)，流體轉(zhuǎn)移技術(shù)的成本更低、速度更快。這種技術(shù)是利用刷子的移動來控制流體中micro-LED的運動，最后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(dāng)V0 ? Vcrit，隨著電刷的平移和旋轉(zhuǎn)，電刷周圍的流體產(chǎn)生湍流，因此許多micro-LED聚集在該區(qū)域中。首先，這些micro-LED被動地向上移動，并由于湍流而高速離開基板表面；接下來，刷子繼續(xù)移動，驅(qū)動這些micro-LED開始在基板表面上向前散射，然后通過流體、振蕩、減速，最后以低于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高于Vcrit ， Micro-LED逃離井。
●V0小于等于Vcrit ， Micro-LED被井捕獲。
圖3.8
3、顏色轉(zhuǎn)換
顏色轉(zhuǎn)換技術(shù)是實現(xiàn)micro-LED顯示全彩化的另一種典型方法。這項技術(shù)最初是由Martin Dawson小組提出的。隨著這項技術(shù)的蓬勃發(fā)展，來自臺灣交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和一些公司的團(tuán)隊也采用了類似的技術(shù)來實現(xiàn)全彩色顯示。本文主要講述了打印技術(shù)、紫外自對準(zhǔn)固化技術(shù)和無機(jī)薄膜色轉(zhuǎn)換三種方法。
郭浩中教授團(tuán)隊通過紫外/藍(lán)色micro-LED來激發(fā)紅色和綠色量子點實現(xiàn)紅光和綠光的發(fā)射。進(jìn)一步地，他們增加了光刻模具來減小micro-LED之間的光學(xué)串?dāng)_。如圖3.9所示。（圖3.9，引用文獻(xiàn)：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(zhǔn)固化是Martin Dawson教授團(tuán)隊提出的，利用紫外micro-LED激發(fā)摻入不同顏色納米晶體的納米復(fù)合材料，實現(xiàn)多色轉(zhuǎn)換。如圖3.10所示。（圖3.10，引用文獻(xiàn)：B. Guilhabert et al. Optics Express 16 (2008) 18933-18941.）
圖3.10
除此之外，Martin Dawson教授團(tuán)隊還提出了一種與轉(zhuǎn)移打印兼容的顏色轉(zhuǎn)換方法實現(xiàn)無機(jī)薄膜的顏色轉(zhuǎn)換。主要是利用液相毛細(xì)管力將平面MQW無機(jī)半導(dǎo)體膜轉(zhuǎn)印到450 nm的micro-LED上，并成功制備了發(fā)射540 nm的光的混合型micro-LED。如圖3.11所示。（圖3.11，引用文獻(xiàn)：J.M.M. Santos et al.Semiconductor Science and Technology 30 (2015) 035012.）
圖3.11
四、總結(jié)與展望
本文總結(jié)了近年來的各種micro-LED顯示全彩化技術(shù)，包括生長技術(shù)、轉(zhuǎn)移打印技術(shù)、顏色轉(zhuǎn)換技術(shù)。
生長技術(shù)在結(jié)構(gòu)和機(jī)理的研究上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，這在高分辨率和高效率的micro-LED顯示全彩化應(yīng)用中有巨大的潛力。然而，驅(qū)動器與micro-LED陣列的集成以及效率的提高是該技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。
轉(zhuǎn)移打印技術(shù)已被許多公司廣泛使用，但是成本和產(chǎn)量是該技術(shù)發(fā)展的主要障礙。顏色轉(zhuǎn)換技術(shù)可實現(xiàn)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(wěn)定性仍然是需要進(jìn)一步地解決。
目前，micro-LED顯示市場仍處于起步階段，尚未大規(guī)模量產(chǎn)。對我們而言，這不僅是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。許多企業(yè)（如蘋果、華星光電等）已經(jīng)投資了用于micro-LED顯示全彩化的關(guān)鍵技術(shù)，例如轉(zhuǎn)移打印技術(shù)。在衍生產(chǎn)品方面，主要的制造商也已提前開始相關(guān)研究。對于終端應(yīng)用，大型戶外和商用顯示器將首先出現(xiàn)，其次是汽車和可穿戴顯示器。未來，隨著世界范圍內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)地迅速發(fā)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(shù)。
五、致謝
這項工作得到了國家自然科學(xué)基金（61974031和61705041）、上海市技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計劃（18DZ2206000）和國家重點研發(fā)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。
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.
