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2025Micro-LED峰會(huì)回顧 | 湖南大學(xué)李梓� 教授:硅基Micro-LED芯屏一體光電融合技�(shù)

編輯� 2025-04-22 09:39:24 瀏覽�34  來源�

湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李梓維教授�2025中國國際Mini/Micro-LED�(chǎn)�(yè)技�(shù)峰會(huì)上發(fā)表《硅基Micro-LED芯屏一體光電融合技�(shù)》主題報(bào)告�

未來新型顯示形態(tài)�(huì)�(jìn)入到交互式、可穿戴式的新生�(tài),新型顯示將直接貼近人眼的呈�(xiàn)方式。Micro-LED是尺寸微縮百倍之后的微型�(fā)光器件,針對未來可穿戴顯示設(shè)備應(yīng)用,�(shí)�(xiàn)“小而亮、彩而清”是行�(yè)技�(shù)難題�

Micro-LED單片全彩技�(shù)有幾�(gè)層次的技�(shù)挑戰(zhàn):高光效方面,需要襯底的�(fā)光芯片具有高的轉(zhuǎn)化效率,目前綠色的轉(zhuǎn)化率比較�(yōu)良,紅色是面臨材料自身的瓶頸問題,藍(lán)色可以用,但是三色最終理想是�(dá)到效率的均衡,目前還存在一定挑�(zhàn)。廣色域方面,如果用純無�(jī)、氮化鎵等體系,�(fā)光峰較寬,需要量子點(diǎn)的調(diào)整方案和色轉(zhuǎn)化層�(jìn)行顏色的過濾或者提升。超高亮度方面,AR眼鏡形態(tài)上也是透明顯示,它的光耦合效率到人眼里面,�(zhuǎn)化比率大�1%�2%,高一�(diǎn)�(dá)�5%�10%,對于顯示亮度的需求至少是百萬尼特起步�

針對這些問題,我們團(tuán)�(duì)自身聚焦在材料、工藝方面的突破,也有與諾視合作開展工藝和產(chǎn)線上的研�(fā)�

首先來看高性能硅基Micro-LED芯片工藝。高性能的硅基微顯示芯片,巨量轉(zhuǎn)移往往使用�(lán)寶石作為襯底,外延氮化鎵作為�(fā)光層。硅是集成電路里面非常寶貴的基石,我們所采用的是硅基的氮化鎵外延體系,從制造的工藝來講,這�(gè)外延早期的時(shí)候遇到瓶頸問題,要把兩�(gè)材料長在一起非常困難。經(jīng)過幾年發(fā)展,以及我們跟晶能合作,目前針�8英寸/12英寸,解決了硅基氮化鎵的外延。選擇硅,是�?yàn)樗拇蟪叽绻に嚪浅3墒欤軌蚪鉀Q成本問題。例如,在同樣的芯片�(biāo)�(zhǔn)尺寸上,如果采用6英寸的襯底,�(huì)�4英寸的芯片有效利用效率提�20%-40%,成本也能大大降低�

我們在�(shí)�(yàn)室開�(fā)了一套原位外延和�(jiān)測表征系�(tǒng),這�(gè)系統(tǒng)可以生長一些三維等混合的半�(dǎo)體相�(guān)材料。外延工藝遇到一些挑�(zhàn),包括晶向控制、應(yīng)力工程,要保持均一性,還有溫場控制,目前已�(jīng)解決�8英寸/12英寸,可以達(dá)到較好的良率。有了較好的硅基氮化鎵襯底,開發(fā)單側(cè)的微顯示芯片,晶圓采購過來之后通過光刻方法開發(fā)技�(shù)�4英寸硅基工藝是完全驅(qū)�(dòng)的,在做好的基礎(chǔ)上做刻蝕,這樣沒有對準(zhǔn)的過程,叫非對準(zhǔn)工藝,能降低工藝難度�

底部是CMOS�(qū)�(dòng),是一�(gè)單獨(dú)�(dú)立控制的�(qū)�(dòng)電機(jī),上面采用混合點(diǎn)極,用ITO和混合金屬共同來�(shí)�(xiàn),它要解決電流的均勻�(kuò)散的問題,如果在0.39�0.6的微顯示的面積里面要保證電流的均勻性,這�(gè)均勻性會(huì)影響芯片中間的發(fā)光亮度和邊緣�(fā)光亮度的差異化問題,這樣的混合電極也是非常必要的,要解決的ITO和氮化鎵界面的接觸問題,如果電阻過大電流效應(yīng)、熱效應(yīng)非常顯著�

我們也做了相關(guān)熱效�(yīng)測試。如果沒有做合適的混合電極,在工作一段時(shí)間之后,溫度很快�(huì)�100多度,如果是良好的電極接觸還可以保持它在適溫的狀�(tài),這就是高效的電流�(zhuǎn)化過程,沒有過度的熱積累,這樣的芯片襯底能保證后面做單片全彩的相關(guān)技�(shù)�

外延的過程,�(fā)光單元要有圖案化的處理,這是屬于光學(xué)的耦合方案,通過納米草叢、光�(xué)納米�(jié)�(gòu)的設(shè)�(jì),想辦法讓光效從上面的天窗出口耦合出來,側(cè)壁要做好鈍化層。單�(cè)顯示目前的效率,�(lán)色是7%左右,綠色現(xiàn)在可以達(dá)�10%,紅色可以有突破1%。去年我們公布的一�(gè)成果是,突破了小尺寸Micro-LED出光效率瓶頸,實(shí)�(xiàn)了單器件尺寸1.5μm,像素密度超�10000PPI,最高亮度可�(dá)1000萬nits Micro-LED陣列。這是與硅基CMOS做的大規(guī)模集成,�0.1英寸面積上,�(shí)�(xiàn)百萬�(gè)IC�(qū)�(dòng)互聯(lián)的MicroLED有效集成,良率高�(dá)96%以上。單�0.39英寸高清微顯示屏可以�(dòng)�(tài)展示一些圖像,分辨率是1024×768。現(xiàn)在,我們更多聚焦在眼鏡形態(tài)上,最小像元(1.5微米)分辨率�640×480的高清微顯示屏,已全屏點(diǎn)亮,可以完美集成在眼鏡里靀�

我們嘗試做單片全彩,同�(shí)也認(rèn)為,未來單片全彩肯定是剛需。學(xué)�(shù)界有很多的科�(xué)家們還有三星的研發(fā)�(jī)�(gòu)做單片全彩的嘗試方案,有用巨量轉(zhuǎn)移、層�(zhuǎn)移等的開�(fā)方案,也有很多直寫光刻膠集成方案,從�(bào)道來看,很多�(bào)道上可以做到5微米以下非常漂亮的像素化、圖案化的色塊。但是真正要把它做在Micro-LED的芯片表面上,還是有一些問題和考驗(yàn)。這方面,我們是采用量子�(diǎn)光刻堆疊�

我們前期開�(fā)的是4英寸的工藝,在做完藍(lán)色的芯片上,通過光刻膠做光刻的像素圖案化,實(shí)�(xiàn)RGB單片全彩。但這會(huì)有藍(lán)光泄露的問題,可以把像素做上去,但是做上去藍(lán)光泄露是客觀存在的事情。現(xiàn)在的方案是采用鈣鈦礦量子�(diǎn)方案,因?yàn)樗菀兹?chuàng)造一些表面的化學(xué)鍵,在做五微米或者以下更小尺寸的�(shí)候,界面的化�(xué)鍵作用會(huì)決定最后的良率,我們開�(fā)化學(xué)鍵的方案解決量子�(diǎn)自身的穩(wěn)定性問題�

如果�10微米以上,光刻的像素還是可以保證良率,但�10微米以下的時(shí)候,由于界面接觸面積變小,在工藝的過程中又有一些液體對它�(jìn)行流�(dòng)性的撞擊�5微米以下很難保證良率,像素已�(jīng)被洗掉了,我們開�(fā)一�(gè)表面的界面鍵合,提供一�(gè)納米的膠帶,粘住襯底和像素,可以保證�5微米以下�(dá)�100%的光刻集成良率�

我們和諾視主推垂直堆疊全彩方案,這�(gè)類似集成電路的解決方案,通過之前的單色把�(lán)色基底和CMOS�(qū)�(dòng)�(jìn)行一次鍵合,�(xiàn)在把綠色、紅色三層分別鍵合堆疊,�(yù)留好挖孔,讓光耦合出來,現(xiàn)在實(shí)�(xiàn)了樣�(jī),諾視也在湖州已�(jīng)完成了產(chǎn)線的通產(chǎn)。從�(shí)�(xiàn)RGB的單片全彩效果,可以看到通過組合的電流方式變化,可以�(shí)�(xiàn)非常大的色域光譜�(diào)控,紅、綠、藍(lán)相關(guān)顏色的調(diào)控�

0.39的垂直堆疊微顯示芯片,使用垂直堆疊工藝來做,我們還在努力希望下一步突破微小尺寸。最近三四年我們和諾視科技主要合作,依托湖南大�(xué)�(shí)�(yàn)線平�(tái),這些可以小批量生�(chǎn)Micro-LED的平�(tái)來共同完成。未來我們也期待Micro-LED可以盡早�(yīng)用到車載顯示、可穿戴顯示�(chǎn)品上,希望能夠更快普及�

 

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