《Displays》：Process optimization of full color display pixels fabricated by integration of Micro-LEDs and OLEDs
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本研究提出一种创新的混合显示架构，将GaN基蓝Micro-LED阵列与红绿OLED直接集成，避免了RGB异质集成的复杂转移过程和量子点转换的稳定性问题。通过光刻、高精度对准、KOH湿法刻蚀处理和ITO厚度优化，实现了蓝Micro-LED的亮度和色域显著提升，在4.5V驱动下达到4.86×10? cd/m2，红绿OLED在5V时分别为26和87 cd/m2，sRGB色域覆盖达90.89%。
作者：贾伟元、刘胜成、周一坚、方傲琪、李金、闫志兵、王帅帅、杨天熙、孙杰、严群
单位：福州大学物理与信息工程学院平板显示技术国家与地方联合工程实验室，中国福州350100
摘要
在微发光二极管（Micro-LED）全彩显示技术中，有两种主流解决方案：红-绿-蓝（RGB）异质集成和微LED激发的量子点（QDs）用于颜色转换。然而，这些方案面临核心挑战：RGB芯片的高成本转移以及量子点在颜色转换方案中的稳定性不足。与此同时，传统的有机发光二极管（OLED）全彩显示技术长期以来受到蓝色OLED性能不佳的限制，具体表现为亮度低和寿命短，这严重限制了显示质量的提升。为了解决现有技术的这些瓶颈，本研究提出了一种创新的混合架构。该架构将基于GaN的蓝色Micro-LED阵列与红色和绿色OLED集成在一起，消除了转移红色和绿色Micro-LED的需求。通过光刻和高精度对准工艺，实现了无源矩阵蓝色Micro-LED（70×20 μm2）和红色/绿色OLED（70×90 μm2）的单片集成。此外，还应用了KOH处理工艺和ITO厚度调整来进一步提升器件性能。在最佳条件下，蓝色Micro-LED的相对电致发光（EL）强度提高了59.8%，亮度提高了92.5%。在4.5 V驱动电压下，蓝色Micro-LED的亮度达到4.86×10? cd/m2；而在5 V驱动电压下，红色和绿色OLED的亮度分别为26 cd/m2和87 cd/m2。开启电压偏差小于0.3 V，标准红绿蓝（sRGB）色域覆盖率达到90.89%。
引言
微发光二极管（Micro-LED）技术因其超高亮度、纳秒级响应速度和极长的使用寿命而被广泛认为是下一代显示技术的战略方向，尤其在增强现实、虚拟现实和汽车显示应用中具有变革潜力[1][2]。然而，这项技术的工业化面临一个根本性挑战：实现高效、低成本的全彩集成。当前主流的技术路线——质量转移和颜色转换方案都存在显著的限制。
质量转移RGB三色芯片方案的局限性不仅源于其极其复杂的工艺步骤，还在于对转移产量的严格要求。该工艺涉及将基于AlGaInP的红色、基于InGaN的绿色和基于GaN的蓝色Micro-LED芯片（典型尺寸<100 μm）从原始基板逐步转移到驱动背板上。具体工作流程包括：利用激光辅助剥离（LLO）分离外延层，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性印章进行薄膜转移，并以亚微米精度进行芯片键合[3][4]。由于R/G/B芯片生长在不同的基板上，必须进行三次大规模转移操作。然后需要将红色、绿色和蓝色Micro-LED芯片精确排列成指定阵列以实现全彩显示。质量转移过程必须达到99.9999%的产率（相当于百万分之一的缺陷率）才能满足大规模生产的要求[5]。即使是很小的缺陷率，在制造4K Micro-LED电视时也会导致大量像素缺陷，从而使面板无法使用[6]。此外，在数千万个芯片中检测和修复缺陷像素会大幅增加制造成本。目前，转移和修复过程的成本几乎占总成本的的一半。这些对工艺精度的极端要求以及制造成本的持续挑战已成为大规模生产的核心障碍。
当前主流的颜色转换方法采用单色Micro-LED（通常是蓝光）作为光源，并结合量子点（QD）材料。这些量子点将部分蓝光转换为红光和绿光，从而形成RGB原色以实现全彩显示[7][8][9]。作为纳米级半导体结构，量子点可以通过尺寸控制精确调节发射波长，提供出色的光谱调节能力[10]。然而，在高亮度或长时间工作条件下，量子点容易降低发光效率或发生发射波长偏移，从而导致颜色一致性下降。这影响了显示的可靠性和寿命，对该技术的广泛商业应用构成了重大挑战。此外，实现高分辨率显示器所需的微米级图案化仍受到量子点薄膜厚度均匀性和热稳定性问题的阻碍[11][12][13][14]。
值得注意的是，有机发光二极管（OLED）技术在红光和绿光波长段已达到较高成熟度。经过多年的工业发展，红色/绿色OLED的外部量子效率（EQE）已超过35%的阈值[15][16]。结合精细金属掩模（FMM）蒸发工艺，可以实现高密度集成。这些优势使得红色和绿色OLED成为相应Micro-LED芯片的理想替代品。然而，OLED技术有一个显著缺点：蓝色OLED在高亮度水平下仍存在亮度低和寿命短的问题，其效率和寿命远低于红色-绿色器件[17][18][19]。
为了解决这些系统性挑战，我们的研究团队提出了一种创新的混合全彩架构。其核心设计理念是用高性能的基于GaN的蓝色Micro-LED阵列替代不稳定的、寿命短的蓝色OLED，并直接使用大规模生产的红色/绿色OLED器件来替代需要复杂质量转移过程的红色和绿色Micro-LED芯片。为了实现这一器件结构，我们在4英寸GaN外延晶圆上制备了无源矩阵蓝色Micro-LED阵列，并通过光刻精确保留了OLED蒸发平台。通过结合高精度对准系统和精细金属掩模，使用OLED真空热蒸发设备制备了红色和绿色OLED。这使得三种颜色的发光单元实现了单片集成。
界面和电极特性对这种混合架构的性能至关重要，因为单片集成带来了独特的挑战。具体来说，在Micro-LED台面形成过程中的干法刻蚀不可避免地会产生侧壁缺陷，这会增加非辐射复合并影响载流子注入[20][21]。研究表明，侧壁处理可以通过减少这些缺陷或通过粗糙化侧壁结构来提高内部量子效率（IQE）和光提取效率（LEE），从而改善Micro-LED的性能[22][23]。在各种侧壁处理方法中，氢氧化钾（KOH）处理被证明是最有前景且研究最广泛的方法之一。KOH处理可以有效修复刻蚀造成的损伤，减少非辐射复合，并提高载流子注入效率。多项研究证明了KOH在侧壁钝化中的有效性及其对Micro-LED性能的影响。例如，Wong等人使用KOH处理结合原子层沉积（ALD）提高了Micro-LED的EQE[24]。同样，Zhu等人利用KOH处理修复了侧壁损伤，实现了85.4%的内部量子效率[25]。Zhou等人利用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀过程中光刻胶的收缩效应以及KOH溶液在GaN上的各向异性刻蚀特性，成功创建了一个多步台面结构，使光提取效率提高了12.19%[26]。这些发现突显了KOH处理在提高Micro-LED器件性能和可靠性方面的关键作用。为了便于与以往的研究进行清晰比较，表S1（补充信息）提供了关于KOH处理蓝色Micro-LED的代表性研究总结。在本研究中，KOH湿法刻蚀被用作关键的工艺优化步骤，以修复侧壁缺陷并提高器件性能。
同时，氧化铟锡（ITO）层目前作为Micro-LED的扩散层使用，需要精确调节其厚度以确保优异的导电性[27][28]。为了进一步比较，表S2（补充信息）列出了不同ITO优化策略的Micro-LED器件总结。
因此，实施了针对性的工艺优化，特别是用于修复侧壁缺陷的KOH湿法刻蚀和ITO厚度调节，以提高器件性能。实验结果表明，在最佳条件下，70×20 μm2的蓝色Micro-LED单元在4.5 V驱动电压下的亮度达到4.86×10? cd/m2。在相同的测试设置下，70×90 μm2的红色和绿色OLED单元在5 V下的亮度分别为26 cd/m2和87 cd/m2，两种OLED类型的开启电压（定义为亮度达到1 cd/m2的电压）之间的偏差小于0.3 V。标准红绿蓝（sRGB）色域覆盖率达到90.89%。
实验
实验
图1展示了混合Micro-LED/OLED器件的制备工艺流程。对于蓝色Micro-LED部分，首先使用511溶液（H?SO?:H?O?:H?O = 5:1:1）清洗基于GaN的蓝色外延晶圆，以确保表面清洁。然后在晶圆表面旋涂光刻胶。通过光刻定义像素区域图案，接着进行感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）以去除P-GaN和多量子阱层
结果与讨论
本研究系统分析了不同KOH处理时间下Micro-LED器件的电学和亮度特性，揭示了刻蚀时间对器件性能的影响。综合分析表明存在一个最佳处理时间窗口（本研究中为2分钟），在该时间内可以获得最佳的器件性能。
图2(a)和图2(b)中的电流-电压（I-V）和电流密度-电压（J-V）曲线表明，经过2分钟处理的样品表现出最佳性能
结论
总之，我们制备了一种由蓝色Micro-LED（70×20 μm2）以及红色和绿色OLED（均为70×90 μm2）组成的混合结构显示阵列。通过优化KOH侧壁处理时间和ITO厚度，我们提高了蓝色Micro-LED的性能。在最佳实验组条件下（2分钟的处理时间，使用4 mol/L的KOH和130 nm的ITO），蓝色Micro-LED的相对EL强度和亮度分别提高了59.8%和92.5%。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：12474066）和武汉市项目（编号：2024010702020024）的支持。
