港城大Adv Opt Mater综述:微型显示器(Microdisplay)

一、 【文章信息】  

这篇综述主要介绍下一代先进微型显示器用的发光技术，包括Mini-LED，Micro-OLED和Micro-LED。内容涵盖了各自技术的优缺点，以及研发的方向和成果，协助领域内外的人员迅速了解微型显示器的现况与未来。

第一作者：缪文茜

通讯作者：何志浩教授，郭浩中教授

单位：香港城市大学，鸿海研究院半导体研究所

原文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202300112

二、【研究背景】

微型显示器作为下一代智能设备的核心部件，能够结合照明、驱动系统，甚至数据传输的功能，使得AR、VR、HUD、汽车显示和穿戴设备等应用领域落地。

在过去10年，该技术一直处于默默发展的阶段。然而，最近几年有大量的初创企业成立，行业巨头们大力投入该领域，而在学术界也继续有不少前沿研究在进行，种种因素都表明该行业在未来将拥有巨大的发展潜力。

目前主要有三种技术能被用在微型显示器中，分别是次毫米发光二极管（Mini-LED）、微有机发光二极管（Micro-OLED）以及微发光二极管（Micro-LED）。他们分别有各自长处、短板及瓶颈，但毋庸置疑的是三种技术都将在未来占有一席位。

三、【技术簡介】

Mini-LED

Mini-LED一般指一百到数百微米的无机发光晶体（例如氮化镓（GaN）、坤化镓（GaAs）、磷化铝铟镓（AlInGaP）、氮化铟镓（InGaN）等）。目前多应用于背光源（BLU），例如液晶显示器（LCD），但搭载Mini-LED的LCD屏幕一般会被当成是Mini-LED屏幕。它的结构中仍然有着偏光层、液晶层和滤光片等LCD显示器的结构，故此，Mini-LED屏幕仍继承了LCD部分的缺点。但相对的是成熟的制程和较低的价钱。

图1 Mini-LED结构示意图

Micro-OLED

Micro-OLED一般指由五十微米以下的有机晶体形成的发光单元。其采用了硅基OLED （OLEDoS）技术，透过将OLED蒸镀到硅基晶圆上，再通过半导体制程加工而得到微米级像素。Micro-OLED具有出色的光学性能，但由于有机材料需要良好的保护，其结构相对复杂，包括电子/空穴传输层、透明电极、以及保护用的封装。同时，Micro-OLED在亮度和寿命方面的性能亦不尽理想。

图2 Micro-OLED结构示意图

Micro-LED

Micro-LED一般由五十微米以下的无机发光晶体组成（同Mini-LED材料），而且比起Mini-LED要更加薄。因为剥离了蓝宝石层，Micro-LED具有最简单的结构，并具备超越其他两种技术的性能，所以被认为是AR/VR等设备的最佳选择。唯技术仍在发展的阶段，目前并未真正实现量产。当中的原因是量子效率在像素缩小的时候会大幅衰减，同时不成熟的工艺导致的成本问题。但这些问题部分已经得到解决，且学术界与业界亦在努力攻克余下的问题点，希望尽快把Micro-LED技术量产化。

图3 Micro-LED结构示意图

四、【研究发展方向】

这部分会挑选部分跟材料相关的方向，有兴趣了解更多的读者可以自行下载文章阅读。

另外，三种显示技术的部件和技术发展在一定程度上是类近的，所以Micro-LED的部分技术和思路也是可以套用到Micro-OLED上的，如此类推。

4.1 Mini-LED

Mini-LED的短板某程度上是跟LCD相关的。所以，在改善Mini-LED的性能是，通常会牵涉到传统的LCD部件。

Li等人提出了一种在蓝色Mini-LED背光上采用量子点膜加上二色性反射镜（Spectral Dichroic Layer）的结构，以增加红光与绿光的外部量子效率（EQE）。由于量子点膜在发出激发光的时候并没有指向性，部分红光和绿光会向发射反方向，导致发光效率的损失。通过二色性反射镜，允许蓝光通过并激发量子点膜，同时将向后发射的红光和绿光反射回发光方向。结果白光、红光、绿光和蓝光的亮度分别提高31%、67%、28%和8%。

图4 红、绿光在量子点膜加二色性反射镜下的反射路径

Prodanov等人提出了特别设计的T形配体，以获得高浓度且灵活排列的纳米棒（NRs）薄膜，用以解决偏光层低效率的问题。但单向排列的纳米棒往往受限于膜中有限量子棒浓度，导致亮度不足以作为显示器中的增亮膜（BEFs）。这可以归因于量子棒在聚合物中的亲和力差和偏振发射的浓度依赖性。透过使用T形形状的发旋旋旋光性磷酸在光照对准时能够使量子棒相互平行排列的特性，使得混合薄膜中的QRs浓度高达10 wt.%-20 wt.%，同时保持高亮度和发光偏振性质。

图5 量子棒的取向性、T形配体结构、及吸收/激发峰

另外，光的均匀性对于Mini-LED显示器亦非常重要，文中提到多种光学设计，包括微透镜阵列，二氧化硅/二氧化钛多层结构，先进光扩散片等手段。目的是令显示图像更加柔和，提升观看体验。

图6 (a)传统/(b)新型扩散片对于光均匀性的影响

4.2 Micro-OLED

Micro-OLED受有机材料的缺点限制，在亮度，寿命方面被诟病，但同时也是比较热门的研究项目。

Micro-OLED主要可以分为两种，红、蓝、绿三色亚像素单独发光，或利用白光背光源加上滤光片的显示模块。前者对于材料、设计和工艺要求较高；而后者则需要牺牲发光的亮度。图7显示了在相同电流密度下，直接发光的器件比透过滤光层的器件亮度提升了超过1倍。

图7 直接发光型Micro-OLED结构及相对传统结构的流明度曲线

有研究从另一个角度出发，透过堆叠多层的Micro-OLED使亮度增加，该思路能在不改变电流密度、像素密度的情况下提升亮度，从而避免牺牲器件的寿命。

另外值得注意的是，由于Micro-OLED采用顶发射发光结构，一般在有机发光层以上的部件皆需要兼具功能层与透光层的特性，包括阴极、封装/保护结构等。这些材料的透光性会直接影响到显示器件的量子效率。

而同样重要的是发光层下方的反光特性，由于光同样会向下激发，所以阳极的必须具备极高的光反射能力，例如加上分布式布拉格反射层（DBR）或其它手段。

图8 顶发光型Micro-OLED结构

在寿命/可靠性方面，最直观的方法是透过减低电流密度来避免超载，但在结构和材料上也可以进行优化。

首先在设计发光结构时，需要考虑到电子传输层（ETL）与空穴传输层（HTL）的厚度比例。这是由于电子和空穴在两种物料中的传输速率不相等，有可能导致其中一边的载流子过多。所以，透过更薄的HTL增加空穴，和更厚的ETL减少电子，能够获得高发光效率并延长发光寿命。

当然，OLED材料本身的效率和耐用性也是重要的因素，故此Micro-OLED领域在前沿的研究需求还是相当大的。

4.3 MicroLED

Micro-LED在光学性能方面有着突出的表现，其最大的问题是尺寸效应带来的效率下降和过高的生产成本。

量子效率的下降主要归咎于侧壁缺陷带来的非辐射复合，由于晶体尺寸缩小到微米级，表面面积占整体面积的比例会变大，所以侧壁缺陷的问题尤为明显。

表面钝化在一定程度上能减缓这个问题，Wong等人利用原子层沉积技术（ALD），将二氧化硅层级在晶体表面，使得该20×20 µm器件的EQE从24%上升至33%。

图9 透过SiO₂钝化提升Micro-LED的内部量子效率

另外，Zhu等人报告了一种消除MicroLED尺寸效应的方法。他们透过中子束刻蚀（NBE）技术取代传统的电感耦合等离子体刻蚀（ICP），使6微米-40微米Micro-LED晶体的EQE没有明显变化。原因在于用ICP进行图案化时，高能粒子会在晶体表面几十纳米的深度轰击出缺陷，而NBE则能避免这问题出现。同时，使用NBE定义的形状的刻蚀角度是98度，比ICP工艺的116度小。

图10 使用ICP（左）和NBE（右）刻蚀的蓝光LED外部量子效率对比

在发光材料方面，基于GaN的MicroLED蓝光和绿光晶体发光效率尚可，唯独红光晶体在微米尺寸中的IQE非常低。红光LED一般采用磷化铝铟镓（AlInGaP）、氮化铟镓（InGaN）或磷化铟镓（InGaP）等材料。其中磷化铝铟镓和磷化铟镓受尺寸效应的问题困扰大，加上前者在高温的不稳定和欠佳的机械性能，令其难以应用在更高端的Micro-LED场景。而最近几年比较热门的InGaN基红光材料，其受到尺寸效应影响的程度较低，在高温下也相对稳定，但材料的生长工艺仍然比较困难。

另一方面，不少企业和院校都在投入研究单颗全彩LED。Hong等人报道了一种可见光范围可调节的LED器件，透过在GaN纳米棒数组基底生长InGaN/GaN多量子阱结构（MQWs）并覆盖Mg掺杂后的p-GaN。这种器件能够根据电压大小可以在一定范围调整发光颜色。亦有团队通过InGaN在高电压下的蓝移现象，制作出可调波长的MicroLED器件。在器件结构上，垂直堆叠的Micro-LED在最近几年也获得许多关注，包括清华大学、麻省理工大学、南方科技大学都有相关工作在进行。

图11 可调波长LED的多量子阱结构

最后，量子点（QD）技术在Mini-LED和Micro-LED器件中都担任很重要的角色。目前主要有几个问题，包括转换效率及稳定性。

Kang等人透过将QD嵌入奈米多孔GaN结构，藉由较短的光子平均自由程使得对应370 奈米波长的消光系数增加了11倍，从而得到了96％和100％的绿色和红色光转换效率。同时，这种结构也解决了QD在喷墨打印后自聚集影响材料均匀性。

图12 嵌进QD的多孔纳米棒结构

在QD的可靠性方面，Hsu等人透过将QD材料包覆在氯化钠中，在不影响色彩表现的情况下连续运行了1500小时。而Sun等人透过将QD的配体从油酸替换为，1-十二烷硫醇，加上高导热性的蓝宝石基底，有效减低QD和整体器件的积热，增加稳定性和使命寿命。

六、【作者简介】

何志浩教授来自香港城市大学材料科学与工程系。他分别于1999年和2005年从台湾清华大学获得学士和博士学位。他曾在台湾大学和阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）任教。他在半导体和光电子领域具有影响力，曾多次在顶级期刊发表突破性的研究成果，对光子管理、收集等领域有重大贡献，并将发现应用在发光组件，太阳能电池，光传感器以及光电合成等领域。

郭浩中教授来自台湾交通大学光电系。他于1990年在国立台湾大学获得物理学学士学位，1995年在罗格斯大学获得电气和计算机工程硕士学位，1999年在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校获得博士学位。他目前的研究兴趣包括磷化铟和坤化镓基的高速垂直腔面发射激光器的外延、设计、制造和测量，以及氮化镓基的发光设备和纳米结构。