Micro LED是完美的显示技术,其应用前景已逐渐明晰,产业化也越来越近。然而,其全彩化技术路线不一,目前业界正在积极探索。随着量子点(QD)技术荣获上年度诺贝尔化学奖,QD+Micro LED似乎将成为最具代表性的一种技术实现方式。本文重点介绍现阶段Micro LED的各种彩色化方案,以及量子点赋能Micro LED全彩化方面的最新技术研究与应用进展。

Micro LED堪称最完美的显示技术,但其仍然面临巨量转移、全彩化、检测修复等技术挑战,特别是关乎终端体验的全彩化技术方面,一直是其产业化的最大障碍。为此,业界不断探索实现Micro LED全彩化的技术路径。其中,量子点(QD)+Micro LED是最具代表性的技术实现方式之一。

2023年,量子点技术荣获诺贝尔化学奖,可谓显示产业界最大的事件之一。该技术在显示领域最具代表性应用是:将量子点优秀的光致发光性能和另一项诺奖成果——氮化镓基蓝光LED进行结合,实现量子点色彩增强显示技术。

图1:蒙吉-巴文迪(左)、路易斯-布鲁斯(中)和阿列克谢-叶基莫夫(右)荣获2023年诺贝尔化学奖。   图源:新华社

这项技术应用在很大程度上解决了Micro LED全彩化的问题,特别是突破了红光Micro LED发光效率较低的技术瓶颈,为其产业化提供了全新的思路和更大的可能性。

Micro LED全彩化难在何处?

自2000年这一技术首次被正式提出,到2014年苹果公司收购LuxVue重点投入Micro LED的技术研究,再到最近几年因元宇宙的兴起而重新掀起Micro LED应用热潮,跌宕起伏了20余载,Micro LED始终未能实现产业化应用。

那么,为何Micro LED产业化这么难,特别是全彩化难在何处?实际上,随着LED不断缩微化,微米级的Micro LED已经脱离了常规LED工艺,迈入了类IC工艺制程。

表1:主流显示技术性能参数对比。

相比目前主流显示技术LCD与OLED,尽管Micro LED拥有显示亮度高、可视角度大、使用寿命长、响应时间短和功耗低等诸多优势,并且自发光,无需背光源,但在技术层面仍然面临巨量转移和全彩化两大主要难题。

由于Micro LED不是直接在线路板或玻璃基板上成型,而是先制作LED晶圆,再将LED芯片转移到线路板上。因此,随着LED尺寸的缩小,需要转移的LED芯片数量大幅上升,同时对转移精度的要求也更为苛刻,比如Micro LED移动到驱动电路基板的准确度须控制在±0.5μm以内,转移良率须达到99.9999%。

而全彩化方面,理论上最理想的全彩显示是RGB三色Micro LED混色,即把三颗不同的蓝色、绿色和红色Micro LED分别从各自原始晶圆上剥离、转移、组装到同一驱动基板上形成一个独立的全彩像素,每一个蓝色、绿色和红色Micro LED子像素可以划分256个灰度等级,共组成2563种颜色,完全满足人眼对显示的视觉要求。然而,现阶段这种技术路线存在相当大的技术难题。

以一台75英寸4K分辨率的电视为例,需要转移的Micro LED数量将近2500万个(3840×2160×3),随之产生的转移效率、转移精度、转移良率、检测与返修等难度均成指数级增长。特别是终端显示设备必须全彩化显示,则需具备红绿蓝三色光源,使得红绿蓝三色Micro LED子像素数量达到三倍,导致红绿蓝Micro LED需要进行三次巨量转移,更进一步增加了Micro LED的量产难度。

除了巨量转移之外,还需解决红光Micro LED芯片的问题。随着尺寸缩减,芯片的发光效率也会急速降低。其中,蓝/绿光Micro LED发光效率会从90%左右骤降到40%,降幅尚可接受,基本能满足终端应用。关键问题在于红光Micro LED的发光效率会从60%左右骤降到1%,完全无法支持产品应用。

造成如此大的降幅的主要原因在于制造蓝/绿光Micro LED和红光Micro LED所用的材料不同。目前,蓝色和绿色LED通常由氮化铟镓(InGaN)材料制成。不过,当同样用InGaN材料制造更长波长的红色LED器件时,材料成分的细微差别会在器件的发光区域产生强烈的偏振场,正是这种偏振场极大降低了发光效率。因此,大多数器件制造商开始选择使用磷化铟镓(InGaP)半导体材料来制造红色LED器件。

然而,在业界开始研发Micro LED器件时,红光Micro LED发光效率骤降的问题出现了。赛富乐斯(Saphlux)CEO陈辰表示,目前Micro LED在光学材料方面存在两个大的问题:一是红光性能问题,随着尺寸减小,红光效率急剧下降,且存在高温衰减、波长漂移、光型差异等问题,而且在AR领域,传统2微米红光mLED效率低于1%,功耗过高;二是红光生产问题,传统红光材料脆、良率低,且生产中使用剧毒的磷烷和砷,安环风险极大。

此前,国内外科研机构、行业企业均试图在现有的Micro LED材料系统中找到解决方案。然而,在这些科研力量的推动下,红光Micro LED发光效率虽得到一定程度的提升,但仍不及蓝/绿光Micro LED,同时还存在显示单元亮度低、功耗高、发热量大、可靠性差等诸多问题。

全彩化技术路径有哪些?

针对Micro LED全彩化的问题,产业界不断探索实现产业化的技术路径。

其中,RGB三色混色全彩化方案在上文已有介绍,其在理论上是最理想、但实现起来非常困难的技术路线。在RGB三色混色全彩化方案上,业界还探索出一种新的流派“伪RGB混色法”,即红光子像素是由蓝光激发色转化材料得到。这种方案在巨量转移难度和红光效率方面有一定改善,但色纯度相对较低。

同时,根据RGB三色芯片的排布方式,RGB三色Micro LED混色法也从最初的水平排列衍生出垂直堆叠结构。比如,2023年2月,麻省理工学院基于垂直、全彩Micro LED开发出一种制造更清晰、无缺陷显示器的新方法,通过改变施加到每个像素的红色、绿色和蓝色膜的电压,可在单个像素中产生各种颜色。

这种垂直堆叠结构的全彩Micro LED像素面积相较水平排列方式减少了三分之一,屏幕像素密度高达到每英寸5000像素,具有一定的商业化空间。据悉,首尔伟傲世、Lumens、Sundiode、诺视科技等国内外LED企业,以及清华大学研究团队等在近几年均参与到叠层式Micro LED的研究中。

光学透镜合成法也是一种解决方案。该方案是将三个红、绿、蓝三色的Micro LED阵列分别封装在三块封装板上,并连接一块控制板与一个三色棱镜,之后可通过驱动面板来传输图片信号,调整三色Micro LED阵列的亮度以实现彩色化,并加上光学投影镜头实现微投影。

虽然这种方案免去了相当一部分的微型光源结构上的剥离、转移、组装等工作,制程相对而言要简单得多,但目前面临的问题是红光Micro LED制备不易:一方面传统红光LED通过AlGaInP体系制造,芯片的转移、bonding等制程良率不高,且原材料毒性较大;另一方面,InGaN基红光LED外延技术还不成熟。同时,这种方案的光路很复杂,很难与手机、可穿戴设备等集成,只适用于投影显示,因此应用领域较窄。

目前比较主流的技术路径是色彩转换法,即UV/Blue Micro LED激发色转材料法,与上述伪RGB混色法类似,只是仅采用UV或Blue一种为单色基础光源,再以量子点或荧光粉(由于荧光粉颗粒较大,目前多采用量子点)等色转换材料为发光介质,实现全彩显示。该方案制程相对RGB三色Micro LED混色法更为简单易实现,成本也相对较低,但对UV/Blue Micro LED外延片的波长均匀性要求高。同时,由于量子点材料的使用,一方面在光色转换上存在一定的能量损耗,另一方面会导致全彩Micro LED像素稳定性较差,以及光串扰的现象。

此外,还有一种特殊结构法。不同于上述以单色光源为基础进行不同方式的RGB三原色混合或转换后混合的方法,特殊结构法是在单片晶圆上直接实现全彩发光,其原理是在Micro LED外延生长上引入一些特殊结构,比如纳米柱LED、设计中间载流子阻挡层、直接外延生长、设计不同形状的LED阵列等,使得基于同样生长材料的单片晶圆可以发出R/G/B三色光,而不再局限于某一种单色光,这也省去了复杂的晶粒转移和组装工艺,是近年新兴的一大研究方向。比如,剑桥大学的衍生初创公司Porotech就开发了多孔GaN晶圆,可制造发出各种颜色光Micro LED芯片。

不过,这种方案也存在其弊端:一是单晶全彩像素发光效率很大可能要比单色子像素发光效率低;二是采用特殊结构法的单晶全彩显示单元需要更为复杂的驱动方式和更为严格的材料控制。

为何是量子点+Micro LED方案

最近几年,在全球产业界以及各大科研机构的推动下,Micro LED技术应用前景逐渐明晰,各种技术实现途径不断被开发出来,特别是采用“UV/蓝光Micro LED+颜色转换层”技术,不仅制备工艺相对成熟,而且成本相对较低,是一种可行的全彩化方案。

目前,可用于Micro LED色彩转换技术的转换材料主要有纳米荧光粉、有机荧光材料、量子点三种。但纳米荧光粉颗粒的尺寸较大,且随着时间和环境的变化,其会产生色温漂移,光的稳定性较差。有机荧光材料则存在稳定性差和寿命短等问题,需要研发特殊的包裹材料来提高其稳定性和抗氧化性。

而量子点具有高能力的吸光-发光效率、很窄的半高宽、宽吸收频谱等特性,因此拥有很高的色彩纯度与饱和度。同时,量子点结构简单、薄型化、可卷曲,非常适用于微显应用。

可以说,纳米尺寸的量子点光转化材料是目前Micro LED显示的“终极”解决方案之一,特别是使用基于量子点制备的光转换层与高效的蓝光主动式发光器件相结合来实现全彩化显示时,可利用量子点材料具备的优良红光发光特性,替代传统的红光LED来实现全彩色Micro LED显示。对此,国际顶尖纳米材料专家、浙江大学彭笑刚教授(在汤森路透于2011年发布的全球顶尖一百名化学家榜单中名列第八)评价道,“量子点可能是人类有史以来发现的最优秀的发光材料。”

表2:各大量子点材料对比。   图源:TCL报告

当然,量子点也存在材料稳定性不好、散热要求高、需要密封、寿命短等缺点,以及各颜色均匀性与各颜色之间的相互影响的问题。但目前全球各大科研机构和企业均在不断研发和迭代量子点材料,提升该材料的稳定性和色彩均匀性等。

其中,赛富乐斯研发出NPQD(纳米孔-量子点)色彩转换技术,其具有独特的散射效应,能够大幅增加有效光径,提高光转换效率并大幅提升量子点的可靠性。

具体来说,赛富乐斯通过将量子点注入纳米孔中制成NPQD色转换层,将色转换层与蓝光COW进行键合,从而获得了色彩纯正、稳定,且具有高转化效率的量子点Micro LED芯片。其结果是,赛富乐斯使用高效的蓝光Micro LED来激发红光,成功将其光效提高至2-3倍。同时,赛富乐斯NPQD Micro LED采用量子点技术,使晶圆的波长差异小于1纳米,无需分选。通过该技术,赛富乐斯开发了全球首款基于纳米孔GaN材料的高效量子点转换Micro LED,解决了红光效率低这一关键问题。

此外,从材料体系看,新型钙钛矿量子点正成为最近几年业界研究的热点,特别是因其在发光性能的诸多优势,在助力Micro LED全彩显示上具有很大的应用潜力。然而,钙钛矿量子点的短板也很明显,尤其是红色发光的钙钛矿量子点,稳定性较之绿光钙钛矿量子点更差,亮度也更弱。

对此,厦门大学电子科学与技术学院半导体照明与显示实验室提出了一种全新的策略,利用红色发光钙钛矿量子点(γ-CsPbI_3)包覆绿色钙钛矿量子点(CsPbBr_3),形成核壳结构,在两种量子点之间满足能量转移的条件,γ-CsPbI_3将CsPbBr_3的发光完全吸收。借助玻璃微孔阵列作为载体,沉积出的量子点阵列与Micro LED阵列相对应,实现了很好的色转换性能,显示色域可达到135.9%的NTSC标准。

当然,除了研究高性能的量子点材料和技术之外,Micro LED光转换应用还需解决像素集成的问题。即红光和绿光量子点必须与相应的蓝光像素一一对应才能达到全彩显示的目的,因此还需发展合适的微纳加工技术对量子点进行像素化集成。

目前,量子点与Micro LED集成的方法主要有喷墨打印、气雾喷流打印、光刻技术、弹性印章转印等几种,但这几种集成方法也有一些难题需要克服。因此,现有的量子点图案化技术对于制备高厚度和高分辨率的量子点光转换薄膜仍具有一定的挑战性。

不过,最近,广东省科学院半导体研究所的研究人员研发出了一种简单且具有良好兼容性的图案化方法来制备厚度超过10μm的量子点光转换薄膜。该方法结合了复制成型、等离子蚀刻和转印三种工艺的优势,且使用到的量子点聚合物材料制备简单易得,很好地避免了在其他图案化方法中所必需的复杂的量子点表面改性和用料组成等问题。

图2:RM-PE-TP图案化技术工艺流程。 图源:广东省科学院半导体研究所

该研究团队还初步验证了将上述量子点聚合物薄膜作为光转换层简单集成到蓝光Micro LED器件来实现光转换应用的可行性,并发现增加量子点薄膜的厚度可以提高光转换的效率。

针对量子点图形化,量子点材料厂商普加福光电也开发了可用于Micro LED全彩化的量子点高精密图案化方案。该方案采用普加福光电开发的量子点负型光刻胶PJF-QDPR,将成熟的量子点喷墨打印与光刻蚀技术结合,通过像素点喷墨打印、UV固化,具有形成无咖啡环、固化伸缩率低的特性。

总结

总体而言,Micro LED全彩化技术路线不一,从工艺流程和材料角度来看,UV/蓝光LED+发光介质法相较其他方案更为简单,主要采用蓝光LED来替换背光、以量子点膜作为发光介质替代RGB滤光片。在量子点这一材料获得诺贝尔化学奖之后,Micro LED+量子点的全彩化技术路线将进一步引起业界对该材料的关注和研究。

同时,除了量子点相关研究荣获诺贝尔化学奖之外,2023年6月苹果发布头显设备Vision Pro也是显示产业界值得关注的一件大事。尽管这款头显设备采用Micro OLED,而非Micro LED,但未来苹果毫无疑问会选择后者,毕竟Micro LED才是其显示屏幕的“终极选择”。何况,在苹果供应链中,显示屏是其继自研芯片又一重要自研零部件,而Micro LED是其布局的“重中之重”。未来,苹果在虚拟现实领域的研发和布局,将进一步推动Micro LED商业化应用。

本文为《电子工程专辑》2024年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

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