量子点像素堆叠的全彩Micro-LED单片集成技术

　　一、研究背景：

　　微型发光二极管(Micro-LED)是基于氮化镓等无机外延材料制备的电致发光器件，其尺寸通常小于50微米。由于Micro-LED器件在亮度、集成度和稳定性方面表现出色，被誉为下一代新型显示技术的关键发光单元。目前，Micro-LED单色微显示技术已较为成熟，但全彩微显示仍面临诸多技术挑战，包括微小尺寸像素转移困难、垂直堆叠集成工艺复杂等。近年来，色转换技术被证实是一种有效实现Micro-LED全彩显示的策略，该技术需要将色转换材料阵列集成到蓝光Micro-LED芯片上。然而，现有报道的Micro-LED全彩微显示器件主要面临“蓝背光泄露严重”和“彩色像素集成良率低”等问题，这些问题是制约行业发展的瓶颈问题。

　　二、文章简介：

　　湖南大学潘安练教授、李梓维教授、黄建华博士等人联合湖南师范大学、诺视科技、晶能光电多家单位，开发了量子点色转换像素集成的Micro-LED全彩集成工艺，实现了超高亮度、超高像素密度的Micro-LED全彩微显示芯片。本团队选择具有氯磺酰基和硅烷基团的配体分子作为量子点的合成配体和表面处理材料，强化了量子点光刻胶的稳定性和量子点像素的界面粘附力，实现了亚5微米量子点像素高密度阵列集成。制备的0.39英寸微显示屏，可以动态的播放图片和视频，最高亮度超过40万尼特，像素密度达到3300 PPI，具有130.4%NTSC的宽色域，超高亮度工作下有效工作寿命超过1000小时，超越商用OLED性能。这些成果将成熟的集成电路技术推广到微显示器件的制造中，也为全彩Micro-LED的产业化进程指明了方向，相关成果发表在Advanced Materials 。

　　图1.量子点像素堆叠的全彩Micro-LED单片集成技术示意图。Micro-LED全彩集成存在“蓝色背光泄漏”和“彩色像素集成良率低”两大难题。

　　三、研究内容：

　　1、高光效的量子点光刻胶

　　为了有效阻止蓝背光泄露问题，需要在有限厚度的色转换层中，实现更多的蓝光吸收，即提高量子点的光吸收和光致荧光转换效率。在钙钛矿量子点合成工艺中，研究团队优选了2-(4-氯磺酰基苯基)乙基三甲氧基硅烷(CES)作为表面配体，相比于传统的表面配体材料，CES的官能团分子(S=O)具有更强的电负性，易于与前驱体钙钛矿小分子形成化学键保护，实现小尺寸(平均尺寸10 nm)、高均一性的量子点合成制备。稳态荧光光谱测试和瞬态光吸收测试表明，CES配体钝化的钙钛矿量子点，具有更高的荧光量子产率、更长的激子光寿命和优异的光致发光效率。

　　图2. 钙钛矿量子点合成工艺、形貌表征以及发光性能测试。

　　2、量子点色转换像素堆叠工艺

　　亚5微米微小尺寸量子点像素光刻集成时，由于界面粘附力不足易导致像素不可控“掉胶”，严重影响像素集成制造良率。研究团队发展了表面预处理工艺，通过在蓝光Micro-LED矩阵像素上旋涂CES配体分子实现表面预处理，配体分子在紫外光刻曝光下与量子点光刻胶形成化学共价键成键，显著增强像素界面的粘附力，实现亚5微米微小尺寸像素的晶圆级图案化制造，良率高达100%。

　　图3. 量子点色转换像素堆叠工艺中的表面预处理工艺，处理后实现了界面公价化学键成键。

　　3、量子点像素堆叠的Micro-LED全彩单片集成技术

　　全彩Micro-LED单片集成制造需要开发一系列半导体集成工艺，研究团队采用硅基氮化镓晶圆作为发光芯片，先实现发光芯片与IC驱动芯片的集成键合，再利用微纳工艺加工制备蓝光发光像素。通过在像素间沉积混合金属“隔离墙”微结构，可以有效隔离像素间的光串扰，并实现色转换像素垂直出光光效提升。在5×5μm蓝光发光像素区域制了备5-6微米的量子点色转换像素层，实现了100%蓝背光吸收，获得超高亮度的红、绿像素发光阵列。

　　图4.量子点像素堆叠的Micro-LED全彩单片集成技术，其中光阻挡结构有效实现了像素光串扰隔离。

　　4、0.39英寸的Micro-LED全彩微显示芯片

　　研究团队通过优化光刻工艺，经过多次对准曝光实现了红、绿量子点像素阵列堆叠，制造了0.39英寸的Micro-LED全彩微显示芯片。在硬币四分之一大小的物理尺寸上，实现了1024×780个高密度像素的可控动态显示，通过视频数据线连接电脑或手机实现画面播放和现实。显示屏展现出大色域、高色彩纯度、高稳定等性能优势，相比于氮化镓体系的Micro-LED器件、钙钛矿体系的发光器件和量子点色转换集成的发光器件，该微显示屏在绿光和红光色彩亮度上远远超于现有技术，达到了微显示行业的彩色屏亮度记录。

　　图5. 0.39英寸的彩色Mirco-LED显示屏，展现出大色域、高亮度、高稳定等性能优势。

　　四、总结与展望：

　　综上所述，本文展示了一种可量产的Micro-LED全彩显示单片集成策略，实现了极高的峰值亮度和有效工作寿命。量子点像素堆叠的Micro-LED全彩微显示芯片展现了良好的动态显示功能效果，具有3300 PPI的高像素集成密度、130.4% NTSC的宽色域和40万尼特的峰值亮度。这项成果是微显示技术领域一次里程碑意义的技术突破，探索了一种微显示芯片能够实现量产制造的产业化路径。

　　五、致谢：

　　感谢国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省自然科学基金的资助。

　　Authors:  Jianhua Huang†, Ziwei Li†*, Youliang Zhu†, Liuli Yang, Xiao Lin, Yi Li, Yizhe Wang, Yazhou Wang, Yi Fu, Weidong Xu, Ming Huang, Dong Li, Anlian Pan*

　　Title:  Monolithic Integration of Full-Color Microdisplay Screen with Sub-5 µm Quantum-Dot Pixels

　　Published in: Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.202409025