半导体发光器件是固态显示与照明技术的共同基础。近年来,随着人们对不同类型的发光器件的深入研究,新型显示与照明技术得到了相应的发展,这为未来信息显示与照明的多元化应用奠定了良好的基础。随着物联网、云计算、大数据、人工智能、元宇宙等技术和数字经济的兴起,新型显示技术不断迭代,提升显示效果,其中Mini/Micro LED 显示技术正成为新兴显示技术新的一极,为显示领域注入了新的成长动力。
近日,第八届国际第三代半导体论坛(IFWS)&第十九届中国国际半导体照明论坛(SSLCHINA)于苏州胜利召开。本届论坛是在国家科学技术部高新技术司、国家科学技术部国际合作司、国家工业与信息化部原材料工业司、 国家节能中心、国家新材料产业发展专家咨询委员会、江苏省科学技术厅、苏州市科学技术局、苏州工业园区管理委员会的大力支持下,由第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)、中关村半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、国家第三代半导体技术创新中心(苏州)联合主办。
期间,“Mini/Micro LED及其他新型显示技术“分论坛如期召开。论坛由中微半导体设备(上海)股份有限公司、上海芯元基半导体科技有限公司、南京大学固态照明与节能电子学协同创新中心、北京康美特科技股份有限公司,长春希达电子技术有限公司,江苏省第三代半导体研究院协办支持。
分会上,来自北京大学、英国斯特斯克莱德大学、清华大学、广东省科学院半导体研究所、中微公司、南京大学、复旦大学、康美特、厦门大学、中国科技大学、西安电子科技大学等来自国内外产学研用产业链的代表性专家们、企业家们带来一大波精彩报告,从材料、装备到应用,分享Mini/Micro LED及其他新型显示技术的最新进展。
北京大学教授、北大东莞光电研究院院长王新强做了题为“蓝宝石衬底InGaN基红光LED及Micro-LED”的主题报告,分享了相关研究成果,报告指出基于应力调控方法,实现了蓝宝石衬底上InGaN基红光LED的MOCVD外延; 通过量子阱结构设计,提升了InGaN基红光LED的发光效率;实现了小电流密度(~0.5 A/cm2)外量子效率(EQE:7.4%)的InGaN基红光 Mini-LED,并实现了氮化物全彩Mini-LED显示模块; 制作了像素尺寸为25 μm的InGaN基红光Micro-LED阵列和像素尺寸为10 μm的InGaN基红光Micro-LED单颗器件;InGaN基红光LED的发光峰半宽有待进一步控制,以提高氮化物全彩显示的色域范围。
清华大学信息电子工程系光电子研究所所长汪莱做了题为“面向AR微显示应用的超小尺寸氮化物Micro-LED研究”的主题报告,研究提出分析Micro-LED尺寸效应的物理模型,解释了不同波长Micro-LED随尺寸微缩效率衰减不一样的现象。采用激光直写光刻制作了1-20μm超小尺寸Micro-LED,其中,1μm尺寸蓝绿光Micro-LED效率超过10%,死区尺寸150-180nm,绿光死区更小:载流子局域化程度更高,InGaN量子点有助于实现长波长,效率有待进一步优化。
复旦大学副教授田朋飞做了题为“基于InGaN硅衬底micro-LED的多色集成转移打印技术”的主题报告,介绍了全彩显示的量子阱堆叠、蓝/黄光micro-LED堆叠、RGB micro-LED转移,以及柔性micro-LED转移,生物医学应用的研究进展。结合PWM技术,获得了micro-LED阵列在不同注入电流下产生的具有均一亮度的红绿蓝波长发射。报告指出,随着注入电流的增大,CIE色坐标从红色漂移到蓝色区域,实现整个RGB的覆盖,但整体色域还需进一步提高。光遗传学等生物医学应用方面,去除衬底,将单片AlGaInP基LED与柔性衬底集成,形成具有显示与心跳监控等多功能的器件。基于硅基micro-LED转移打印工艺实现的蓝光光遗传学应用探针,高光功率密度、优异的柔性特性、多功能集成应用潜力等特点。
显示技术正在快速发展,微型LED显示器的分辨率要求。南京大学苏州校区集成电路学院助理教授庄喆带来了题为”InGaN基红色发光二极管:从传统LED到Micro-LED“的主题报告,分享了PSS或β-Ga2O3上的InGaN基红色LED、InGaN基红色micro-LEDs、氮化物基红色LED的技术与性能的相关研究成果,报告指出,用于微型LED像素化的选择性p-GaN钝化有助于解决“尺寸效应”。
量子点是纳米尺寸的半导体晶体,是化学方法制备的半导体。钙钛矿量子点是一种全新材料体系,北京理工大学教授钟海政做了题为“蓝光量子点电致发光的若干基础问题研究”的主题报告,报告指出蓝光QLED的若干基础科学问题涉及满足显示应用的无镉蓝光量子点材料十分缺乏,目前仅有ZnTeSe、InP两个体系,亟需发展高效率无镉量子点材料体系。量子点材料本征特性和QLED效率之间的物理关联不清楚,目前量子点、传输层材料的优化只能基于试错办法,如何阐明QLED的工作机制,特别是QLED工作下,影响量子点电致发光的主要过程很重要。影响QLED寿命的主要因素不清楚,目前老化过程表征一般采用测试亮度衰减的办法,周期十分长(>350小时),亟需发展快速表征器件老化特征的手段,特别是老化过程中材料和器件的原位表征手段。
厦门大学物理科学与技术学院物理学系,副教授卢卫芳分享了Micro-LED用GaN纳米线上生长的非极性GaInN/GaN多量子壳的系统研究成果,研究显示,通过提高GaN势垒和AlGaN间隔物的生长温度,获得了同轴MQSs纳米线的高结晶质量,从而获得了高达69%的高IQE。在嵌入p-GaN壳层的情况下,600nm处的发射峰和退化的光输出归因于纳米线的c面区域中的电流局部化。优化了同轴MQS纳米线上p-GaN壳层的形态和晶体质量,以抑制螺旋和弗兰克型部分位错。EL光谱和光输出结果表明,通过插入SL结构,明显增强了3倍以上,这与MQS晶体质量的提高和c面区域的减少有关。
当前Micro-LED的关键问题涉及发光效率随尺寸降低、巨量转移良率、多色发光单片集成、规模化生产的波长一致性、封装等。效率是Micro-LED需要面对的挑战,包括刻蚀导致的表面损伤与非辐射表面复合,需要修复。绿光红光的高铟组分导致的应力、缺陷。西安电子科技大学广州研究院教授刘先河做了题为“用于高像素密度显示器的高效率Micro-LED和纳米LED”的主题报告,自下而上纳米线具有诸多优势,包括无需刻蚀工艺,减少表面非辐射复合;有效的应力松弛,减少缺陷增加In含量;减少来自衬底的线位错,减少非辐射复合。报告指出,用自下而上生长的纳米线成功构建micro-LED和nano-LED;纳米线结构已实现较高的外量子效率,绿光器件EQE达到25%,红光器件达到>2%;效率几乎不取决于尺寸;光子晶体对发光性质直接调控:光谱稳定性和发光方向性;多色发光的单次外延单片集成。
南京大学电子科学与工程学院余俊驰做了题为“高透明度GaN基Micro-LED显示器”的主题报告,研究结果显示,双抛蓝宝石衬底氮化镓基透明高亮度Micro-LED显示器,屏幕尺寸0.18inch,单个像素20μm,反向漏电小于1nA。为提高透明度采用优化设计:GaN深刻蚀、透明ITO电极、非图形化衬底、减小引线宽度等。显示区域透明度高达80%,屏幕亮度高达25000nits,发光具有良好的温度稳定性。满足AR、HUD等设备在室内外环境下的应用需求,具有广阔的应用前景。
Micro-LED器件具有广视角、高亮度、高对比度、高光效的特点。不同显示场景对micro-LED提出不同出光要求,需对器件进行出光调控。中南大学黄锦鹏做了题为“面向新型显示的GaN基micro-LED出光调控研究”的主题报告,详细介绍了micro-LED出光调控研究进展,包括窄光谱、小发散角micro-LED,指向出光micro-LED,线偏振micro-LED,圆偏振micro-LED的研究成果。报告指出,基于RC micro-LED器件设计,结合超表面调控光场,实现micro-LED出光方向的任意调控。指向出光micro-LED,实现垂直方向指定角度、任意空间角、分立角度出光,可用于多视点裸眼3D显示。FDTD优化设计中,采用EBL在micro-LED上集成亚波长金属光栅,制备多种尺寸线偏振micro-LED 。按照实验参数演示偏振显示,所制备的线偏振 micro-LEDs实现了图像分离,满足3D显示要求。金属光栅作为底部反射镜,介质膜作为顶部反射镜,实现具有TE线偏振出光的谐振腔micro-LED。在偏振micro-LED基础上,进一步集成超表面调控偏振光相位,实现线偏振 - - 圆偏振任意转换。
沙特阿卜拉杜拉国王科技大学刘志远做了题为“基于能带工程与机器学习的Micro-LED性能优化”的主题报告,分享了异质结极化和带隙差,AlN应变补偿层在InGaN红色LED中的作用,SL设计对LED效率的厚度效应等研究进展和成果。