用于超高分辨率显示的量子点集成GaN发光二极管
来源: | 作者:卫斯达 | 发布时间: 506天前 | 2254 次浏览 | 分享到:

研究背景


作为增强/虚拟现实(AR/VR)和超高分辨率(例如,8K和16K)屏幕的关键使能器,超出眼睛限制分辨率的显示器吸引了人们的极大兴趣。用于头戴式显示器的近眼设备(near-eye device)位于靠近瞳孔的位置,要求像素分辨率和响应速度大幅提高。用于工业、医疗和户外的下一代显示器也要求具有短响应时间和高光学对比度的低于10μm像素,以实现无闪烁成像和最小的屏蔽门效应。


目前市场上占主导地位的液晶显示器(LCD)是一种型传递式显示器,由于其固有的局限性,与自发射技术相比,其能量效率和光学对比度较低,且像素密度也受到其低分辨率生产方法的限制。有机发光二极管(OLED)是一种发光技术,与LCD相比,在效率和动态范围方面都更优越。但是,与液晶、有机聚合物和薄膜晶体管有限的响应时间相关的延迟仍然是一个挑战。此外,有机材料在高发光的室外条件下仍然存在电致发光退化和寿命问题。解决这一问题的一种方法是使用先进的micro加工技术,结合无机固态器件和集成的金属氧化物半导体(CMOS)电路。基于无机半导体的微型LED显示器,如GaN,是很有前途的超高分辨率显示器。然而,就大小而言,将单个像素小型化到几个微米需要巨大的成本进行,并且导致了几个缺点。必须克服与表面翘曲、像素分辨率和大规模阵列形成相关的技术挑战。高效的直接带隙发光材料,如GaN,通常生长在蓝宝石或硅晶片上。由于材料之间的残余热应力和晶格不匹配,晶片表面的严重翘曲是常见的。即使成功地进行了光刻并形成了小像素(<10μm)的图案,在键合过程(bonding process)中将微型特征(miniature features)与另一个硅片对齐也相当具有挑战性。



研究创新


在最近的Nature Communications杂志上,Kyung Hee University(韩国庆熙大学)的Junho Bae等人报道了一种分辨率超过眼睛极限的全彩色发射型显示器制作方案,以解决像素密度和响应时间的相关问题。超快的响应时间、高分辨率、高亮度和户外使用的动态范围对于非像素光学(non-pixelated optics)来说非常重要。(文章信息:Bae J, Shin Y, Yoo H, et al. Quantum dot-integrated GaN light-emitting diodes with resolution beyond the retinal limit[J]. Nature Communications, Nature Publishing Group, 2022, 13(1): 1–9.)


该团队开发一种极薄的粘合合金和使用先焊接后图案技术来克服光刻对准问题,此时顶部外延层上的连续光刻是利用底部晶片的对准标记进行的。因此,在顶部和底部衬底之间将存在光刻级别的对准,如图1所示。


图1为本文的关键技术概述,以实现分辨率超过1000-PPI的发射型RGB Micro-LED阵列。



图2展示了将GaN外延层从原始衬底剥离并将其粘接到不同的硅衬底上的过程,证明GaN外延层可以转移到任意衬底上,并与新衬底形成高对准精度的LED。该团队使用4英寸硅基GaN,在晶片键合(bonding)和外延层转移之后制造器件以显著改善对准和图案化过程。然后通过电子束蒸发沉积了一种由钛、锡和镍组成的键合合金。随后通过抛光(lapping)和反应离子刻蚀(reactive ion etching, RIE)工艺得到光滑平坦的GaN外延层,再使用Cl和BCl3用RIE工艺刻蚀5μm的台面结构以形成LED的图案,如图2所示。


图2为外延层转移型μ-LED的制作和测量结果


这种方法制作的器件的性能如图3所示,该团队整合了几种先进的技术,设计了一种基于量子点(QD)颜色转换的微尺度发光二极管(LED)阵列原型。采用晶片规模的外延层转移和先键合后图形化技术,在异质硅衬底上直接集成了5um尺度的GaN LED阵列。值得注意的是,与底部晶片的光刻级对准为电路集成的超快操作打开了可能性。最终的发光型LED阵列结合了量子点、GaN和Si技术,分辨率达到1270PPI,远远超过视网膜的极限,为新型应用的近眼显示器铺平道路。


图3 QD集成全彩μ-LED显示屏的特性


a超高像素微型LED阵列的晶圆图像。在10和5μm像素的紫外光照射下,分别获得了R/G单量子点图案的b、c显微图像。d为紫外光下R/G双量子点图案的显微图像。e为QD集成的μ-LED阵列的显微图像。f为QD颜色转换过程示意图。g为绿/红QD层的PL光谱。h为LED的蓝光的吸光度与QD膜厚度的函数关系。h为归一化光功率密度与蓝光薄膜厚度的函数关系。j为EQE和IQE与QD膜厚度的函数关系。



参考文献


Bae J, Shin Y, Yoo H, et al. Quantum dot-integrated GaN light-emitting diodes with resolution beyond the retinal limit[J]. Nature Communications, Nature Publishing Group, 2022, 13(1): 1–9.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29538-4


   文中图片来源上述参考文献






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