MicroLED 显示技术发展概述

徐 峰

（扬州大学物理科学与技术学院，江苏 扬州 225009）

1 MicroLED 显示技术应用领域

20世纪90年代，日本日亚科学家中村修二成功制备出商用高亮度蓝光GaN 基LED，标志着LED 全面商业化的开始。LED 已被广泛的应用在照明、紫外消毒、显示背光、三原色全彩显示、红外探测等领域。随着显示技术的飞速发展，LED 器件也逐渐发挥越 来越 重要的作用。目前，主流显示技术主要包括：液晶显示（LCD）、有机发光二极管（OLED）、微缩矩阵化发光二极管（MicroLED）显示等，其中，MicroLED 显示被认为是将颠覆传统的新一代显示技术，已成为LED 产业领域新的增长和爆发点。MicroLED 显示相比于其他显示技术具有自发光、高对比度、高分辨率、高可靠性、寿命长、功耗低等诸多优势。MicroLED 在大尺寸电视墙显示器、汽车抬头数字显示、智能手表、柔性屏幕、增强及虚拟现实等领域具有巨大的市场应用前景，同时，5G 技术结合8K 显示将会是MicroLED 在5G 时代浪潮下的最新应用趋势。

2 MicroLED 显示技术发展历程

MicroLED 显示技术是基于常规LED 显示技术基础上发展而来。1999年，Jin 等人首次通过感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀工艺制备了直径为12μm、间距为15μm 的MicroLED 阵列器件，研究发现相比于常规LED 器件，MicroLED 阵列可以承受更高的工作电流密度，这可以归因于MicroLED 器件电极接触的方式及小尺寸器件更有效的电流扩散效应，器件在8 mA 驱动电流下的发光功率达到20μW，首次验 证了MicroLED器件在显示领域的适用性。2006 年，Liang 等人采用湿法刻蚀工艺结合衬底减薄技术、介质 桥技术成功实现了MicroLED 器 件阵列的光电隔离，制备出尺寸为16×16μm2的AlGaInP 基橙光LED 微显示器件。2017年，Yeo 采用不同于传统共阴极器件的电路布局对可独立寻址n 电极的MicroLED 器件阵列进行了制备研究，获得了MicroLED 器件调制速度的显著提高。2018 年，Wong 等人研究了不同钝化方式对10～100μm 不同尺寸MicroLED 器件反向漏电性能的影响，发现各器件发光效果存在较大差异，研究表明，侧壁损伤对小尺寸器件具有更大的影响，器件反向漏电更为严重，而进一步通过在器件表面沉积氧化层钝化器件侧壁，能有效缓解器件反向漏电现象，使面积为20×20μm2的MicroLED 器件反向漏电密度降至1.1×10-3A/cm2。

上述各项工作均是以基于蓝宝石衬底的正装LED 结构为研究基础，但传统正装LED 结构存在工作时散热较 差的实际问题，且电流拥挤现象会随电流密度增大而显著增强。因此，为了有效改善MicroLED 器件由于电流拥挤现导致的散热问题，部分课题组开展了基于垂直及倒装结构MicroLED 的制备研究工作，实验证明器件结构的优化可以显著提高MicroLED 器件的光电性能。2009年，Gong 等人成功制备了可矩阵寻址的倒装结构MicroLED 阵列器件，并对比分析了其与传统正 装结构器件的光电特性差异，发现倒装结构可以在更高的注入电流密度条件下正常工作，因此可以获得更高的光输出功率密度。2018年，Kim 等人采用多级金属化工艺，实现了基于倒装芯片结构的无源矩阵 驱动MicroLED 像素阵列，研究发现具有不同p 型电极覆盖面积的受控与非受控MicroLED 阵列具有十分相近的光学特性。2019年，Chen 等人通过干法刻蚀方法制备了像素尺寸为8μm 的960×540蓝光显示阵列器件，20 mA 下器件的正向电压低至2.73V，外量子效率达到13.3%，显示分辨率达到2000 PPI。同一年，Kou 等人研究了像素为20～100μm MicroLED 器件光电特性，发现器件性能受侧壁损伤影响，EQE 及光功率密度随器件有效工作面积减小而降低，当器件尺寸为20μm、50μm、100μm 时，侧壁损伤导致其有效面积占比分别为36%、75%、85%。

3 MicroLED 显示技术发展趋势

MicroLED 器件相比于LCD、OLED 等传统显示器件具有更大的性能优势，如高亮度、高响应速率、低功耗、长寿命等，因此在光显示技术领域中有着极大的市场应用前景，此外，在通信技术领域，MicroLED 具有传输速度更快、调制带宽更宽、传输信息量更大，能够用于可见光通信中的光信号源，这将会进一步推进可见光通信的发展，目前国际上报道的单颗MicroLED 最高通信速率已接近10 Gb/s。随着全色微显示、可见光通信市场的快速发展，人们对高光效、高分辨率、低功耗MicroLED 显示器件的需求日益迫切，因此需要进一步探索优化MicroLED 器件的新型制备工艺。

4 新型MicroLED 关键制备技术探究

通过基于离子注入的高电阻区域制备研究，研究发现低注入能量条件下氢（H）离子注入主要是以注入损伤补偿作用为主，但值得关注的是，H 离子注入氮化镓后产生的晶格缺陷密度较低，导致注入区域的方块电阻极低，而较重的氟（F）离子在高注入能量条件下，注入区域方块电阻能够达到H 离子的1 014倍，更有利于实现器件的有效电学隔离。与此同时，相比于传统的干法刻蚀器件，基于F 离子注入的MicroLED 阵列器件下具有更低的反向漏电流、更低的器件结温、更高的光输出功率密度，实际发光面积占总面积最高为90%，外量子效率提高约30%。同时，F 离子多次注入工艺器件能够获得更好的电学隔离效果以及热耗散机制，因此，反向漏电流密度更低、光输出密度更高。

此外，MicroLED 阵列器件的外量子效率会随像素尺寸变化而变化，这主要是因为小尺寸阵列器件的缺陷密度显著上升，导致器件俄歇复合等非辐射复合机制增强，进行降低了器件的外量子效率。此外，但随器件尺寸减小，量子效率drooping 效应得到了改善，这是由于增强的俄歇复合导致量子阱载流子浓度降低，从而减弱了高电流注入条件下的其他高阶非辐射复合机制，从而缓解了小尺寸器件的效率drooping 效应。

5 结束语

MicroLED 显示技术正处于快速崛起的起步阶段，各大商业巨头已纷纷开始对MicroLED 厂商进行大规模投资与收购，如苹果收购研发MicroLED 显示面板技术的LuxVue 科技公司，Facebook 收购了InfiniLED 新 创公司，而日亚化学公司则在MicroLED 领域耕耘超过10年，拥有诸多专利储备，未来将加速推动MicroLED的商品化进程。相关权威网站发布的数据显示，全球MicroLED 市场规模将从2019年的27亿美元增长到2022年的110亿美元。相信MicroLED 显示技术会应用到更多的场景和领域，同时市场上也会涌现出更多种类的基于 MicroLED 显示技术的新产品，将给带给消费者更便捷、更丰富、更愉悦的显示体验。