近日，清華大學(xué)電子工程系盛興研究組開發(fā)了一種基于疊層式紅、綠、藍(lán)三色（RGB）微型發(fā)光二極管（micro-LED）的器件陣列設(shè)計(jì)，可用于全彩色照明和顯示。該研究通過探索外延剝離和轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于不同單晶III-V族半導(dǎo)體的薄膜micro-LED在垂直方向上的異質(zhì)集成。同時(shí)，通過設(shè)計(jì)具有波長選擇透過的光學(xué)薄膜作為micro-LED之間的界面層，提高了器件的發(fā)光效率和輻射性能。這種新穎的策略能夠?qū)崿F(xiàn)可見光全覆蓋的可獨(dú)立尋址控制的動(dòng)態(tài)圖案化顯示，為下一代新型顯示系統(tǒng)提供新的途徑。
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圖1. 堆疊RGB micro-LED陣列的概念圖
隨著智能可穿戴設(shè)備、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等新興科技的興起，高端顯示技術(shù)已成為市場的迫切需求。相比于基于液晶和有機(jī)LED器件的顯示技術(shù)，基于無機(jī)半導(dǎo)體材料的micro-LED顯示具有亮度高、壽命長、能耗低、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，是下一代新型顯示技術(shù)的有力競爭者。然而，無機(jī)micro-LED顯示技術(shù)仍然面臨包括巨量器件集成在內(nèi)的諸多關(guān)鍵技術(shù)難題，此外，micro-LED尺寸的減小也會(huì)帶來器件性能惡化和制造難度增加等問題。
圖2.堆疊RGB micro-LED陣列的示意圖和實(shí)物圖
本工作提出了一種疊層RGB micro-LED結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)并排放置的RGB器件結(jié)構(gòu)相比，在同等器件尺寸下，疊層結(jié)構(gòu)比并排結(jié)構(gòu)可將顯示分辨率提升三倍，不僅提高了器件的發(fā)光性能，也降低了制備過程中對(duì)加工精度的要求?；谕庋觿冸x和轉(zhuǎn)移印刷的方法，將基于不同無機(jī)III-V族單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的薄膜式micro-LED，包括銦鎵磷基（InGaP）紅光LED、銦鎵氮基（InGaN）綠光和藍(lán)光LED（尺寸~100μm2，厚度~5μm）異質(zhì)集成，形成垂直堆疊結(jié)構(gòu)。此外，該設(shè)計(jì)還在堆疊結(jié)構(gòu)中嵌入了一個(gè)具有波長選擇性反射的薄膜界面層，以提升器件的光輸出效率。結(jié)合成熟的平面化工藝，制作為可獨(dú)立尋址控制的有源發(fā)光陣列，實(shí)現(xiàn)可見光波段全覆蓋的多色顯示。
圖3.堆疊RGB micro-LED器件的發(fā)光照片和電致發(fā)光性能
圖案化可動(dòng)態(tài)調(diào)控的疊層RGB micro-LED顯示陣列證明了垂直堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，這些陣列帶有獨(dú)立的電接觸電極，用于LED的可獨(dú)立控制。該疊層設(shè)計(jì)策略有望擴(kuò)展到大規(guī)模顯示陣列，也可被用來探索其在生物醫(yī)學(xué)等其他領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖4.用于顯示的圖案化RGB micro-LED陣列
該成果近期發(fā)表于《美國科學(xué)院院報(bào)》（Proceedings of the National Academy of Sciences USA），題為“面向全色顯示的疊層微型LED陣列”（Transfer-printed, tandem microscale light-emitting diodes for full-color display）。論文的通訊作者為清華大學(xué)電子系副教授盛興，第一作者為電子系博士生李麗珠，合作者來自于清華電子系、化學(xué)系、材料學(xué)院，成都辰顯光電公司，中科院蘇州納米技術(shù)與仿生研究所等單位。本工作獲得了國家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心等項(xiàng)目支持。
