引用本文：閆龍, 韓冰, 趙項杰, 等.MicroLED全彩色微顯示技術研究進展[J].南通大學學報(自然科學版),2024,23(3):1-9.

Doi: 10.12194/j.ntu.20240327001

研究背景

隨著可穿戴器件、增強現實、混合現實等新型顯示產品的廣泛應用和普及，新型顯示技術在微小器件尺寸、高分辨率、高穩定性等性能方面又提出了更高的性能需求。基于微型發光二極管(Micro-light-emiting-diode, MicroLED)的微型顯示器件具有低功耗、高穩定、長壽命和響應時間短等突出特征，其相關技術和產品近年來已被廣泛應用于VR/AR眼鏡、微投影設備等。然而，目前MicroLED的全彩化問題是制約其進行商業化推廣的關鍵技術難點之一。本文綜述了實現MicroLED全彩色微顯示屏的主流色轉化技術方案，并梳理了近年來國內外在AR/MR等終端應用中MicroLED全彩色微顯示的代表性進展。

色轉換技術是一種不通過器件轉移過程,即通過原位單片集成技術實現MicroLED全彩色微顯示的技術方法。其技術方案主要是使用紫外光或藍光MicroLED晶圓作為顯示陣列光源，將彩色熒光粉量子點或其他微納米結構加工制備在MicroLED藍/紫光光源上，利用光致熒光發光實現藍光一紅光、藍光一綠光等發光顏色轉換,從而實現RGB三色高密度集成的陣列發光器件。按照實現色轉換的方式可將色轉換技術分為熒光粉、量子點、超表面三條技術路線。

熒光粉具有高熱穩定性、高化學穩定性(耐濕性)和穩定的量子產率特點，通過在發光層上設計和制備可旋轉的濾色器結構是早期實現全彩色顯示的技術方案之一，該方法只需制備相應的RGB像元濾色器，制備簡單、成本低。然而，隨著MicroLED像元尺寸逐漸降低至10 μm以下，對色轉換材料的顆粒尺寸、光量子效率提出了更高的要求。但納米尺寸的熒光粉往往會存在熒光淬滅現象，無法解決MicroLED高密度集成、高亮度發光、高光效轉化等問題。

量子點是一類低維半導體材料，具有優異的光致熒光產率，通過調節量子點的尺寸就可以控制其發光顏色。此外，它還具有寬吸收、窄發射、發光可調諧等優勢和特點。2023年，湖南大學李梓維課題組研制了量子點光刻膠，結合芯片界面硅烷耦合劑預處理工藝，利用光刻工藝成功制備了9.91 mm (0.39英寸)的MicroLED全彩色微顯示器。這一方法充分發揮了傳統光刻技術和共價鍵鍵合技術協同效應，該器件突破了5 mm以下微小像元的高密度集成難題，為高效制備MicroLED全彩色器件提供了可行途徑。

超表面是一種人造納米結構經過周期規律排列后形成的光學結構層，通過納米結構與遠場光的自旋軌道耦合效應，實現入射波在亞波長尺度上的振幅、偏振和相位調制，將其設計和制備在MicroLED陣列表面可以實現顏色轉化，并且可以同時對器件的發光角和偏振等特性實現可控調制。這種技術可以總結為微納光學結構耦合實現了MicroLED光發射信息的空間光場調制。

在器件應用上，MicroLED顯示擁有更快的響應速度、更大的可視角、更寬的顯示色域、超高的發光亮度和更長的器件使用壽命。進入21世紀以來，國內外企業不斷加大對MicroLED的研發投入，近年來該技術已取得諸多創新成果。芯元基攻克了像素間距7.5 mm MicroLED芯片的陣列鍵合工藝，實現了9.91 mm (0.39英寸)單色MicroLED微顯示屏。JBD開發AIGalnP紅光MicroLED，突破了100萬nit大關，刷新業界記錄。諾視科技報道了先鍵合后刻蝕的垂直堆疊技術，實現3 mm (0.12英寸)MicroLED全彩色動態圖像顯示，最小像元為1.5 mm。但是如今受制于芯片良率、巨量轉移等因素，MicroLED的制造成本仍然居高不下，未來仍需進一步的技術突破以實現“提效降本”。

總的來說，本文對MicroLED全彩化顯示技術所使用的色轉換技術進行了分類總結，進一步對比分析了相關技術的優缺點，探討了相關技術在推動新型顯示產業發展的重要意義。可以預見，MicroLED技術將在未來顯示行業中發揮關鍵作用,為用戶帶來更加卓越的視覺體驗，并推動相關領域的持續發展，成為下一代顯示技術的主流選擇。

 部分圖表

圖1 熒光粉色轉換MicroLED顯示器的結構示意圖（圖片來自于文中參考文獻[7]）

圖2 基于光刻技術的全彩MicroLED示意圖

圖3 超表面控制LED發光示意圖（圖片來自于文中參考文獻[20]）

圖4 MicroLED微顯示器件研發進展

 李梓維 | Li Ziwei教授，博士生導師

李梓維，湖南大學材料科學與工程學院教授，博士，博士生導師，現擔任信息功能材料系系主任、湖南光電集成創新研究院副院長，從事低維半導體、新型光電器件研究。曾榮獲教育部高等學校科學研究優秀成果（科學技術）二等獎、科技部顛覆性技術大賽全國優勝獎、中國材料研究學會新材料創新創業型青年學者、湖南省湖湘青年科技人才、北京大學學生五四獎章、湖南大學優秀教師新人獎等獎勵和榮譽。

作為項目負責人或子任務負責人主持了科技部“納米前沿”重點研發計劃，國家自然科學基金重大研究計劃、面上項目及青年基金，湖南省自然科學基金優秀青年基金，中國高校產學研創新基金等10余項科研項目。發展了鈣鈦礦量子點的高穩定、低成本制造技術，首次實現了基于量子點光刻工藝集成的MicroLED全彩色微顯示屏，顯示屏發光亮度超過百萬nit，創造了行業記錄，支撐軍民兩用可穿戴微顯示裝備的國產化發展，相關專利技術已完成成果轉化，孵化了科技創新公司；提出了手性金屬納米結構增強低維半導體光與物質相互作用機制理念，較早地實現了偏振響應的被動發光顯示器件和有源光電探測器，相關技術支撐了國家重點研發計劃、基金委重大項目的論證。

擔任Frontiers of Physics、《湖南大學學報（自然科學版）》青年編委，湖南省工信廳和科技廳新型顯示產業鏈圖譜專家，國家級人才項目會評專家，國家重點研發計劃評審專家，國家級和省部級創新創業項目評審專家，在Adv. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano、Innovation等SCI國際期刊發表學術論文50余篇，申請發明專利20項，授權10項。

 （來源： 南通大學學報自然科學版 ）