基于纳米荧光粉(nano-phosphor)光刻图形化实现全彩微发光二极管(Micro-LED)显示器

《ACS Photonics》：Realization of a Full-Color Micro-LED Display via Nano-Phosphor Photolithographic Patterning

　　

摘要：实现高分辨率全彩微发光二极管(Micro-Light-Emitting Diode, Micro-LED)显示器仍是一项核心挑战，主要困难在于难以通过可扩展且适于量产的工艺集成红绿蓝(RGB)三色发射。研究人员报道了基于光刻图形化石墨烯纳米荧光粉(nano-phosphor)薄膜、预图形化彩色滤光片阵列(color filter array, CFA)及蓝光发射Micro-LED面板成功制备全彩Micro-LED显示器件。纳米荧光粉层通过光刻工艺与亚像素(subpixel)布局精确对准，实现了具有强发光限制和最小串扰(crosstalk)的像素级色彩转换(color conversion)。集成显示器表现出均匀的RGB输出、荧光粉层约86%的内量子效率(internal quantum efficiency, IQE)、150 ℃暴露后>99%的热致发光恢复率，以及接近D65标准的色度白点(white point)。研究结果表明，该工作展示了一个完全实现、可量产的全彩Micro-LED显示平台，具有可扩展性，适用于增强现实/虚拟现实(AR/VR)和高性能紧凑型视觉系统等应用。

一、研究背景与意义

微发光二极管(Micro-Light-Emitting Diode, Micro-LED)显示器因其超高亮度、优异能效、极高像素密度及长寿命，被视为下一代极具前景的显示技术。然而，实现可规模化、高分辨率的全彩集成仍是重大难题，尤其是在平衡制备复杂度、色彩表现与工业可制造性方面。当前实现全彩Micro-LED的策略主要分为直接RGB发射与色彩转换(color conversion)两类。直接发射法包括RGB芯片巨量转移(mass transfer)与单片多色外延生长(monolithic multicolor growth)，前者面临微米级元件对准困难、良率低及成本高昂的问题，后者受限于晶格失配及GaN平台上红光发射效率低，均难以满足大面积或细间距(fine-pitch)格式下的可扩展生产。色彩转换法利用单波长（通常为蓝光或紫外）Micro-LED激发光致发光材料产生红、绿光，可简化制程并提升扩展性。其中量子点(quantum dots, QDs)虽有窄发射带宽与高量子产率，但在Micro-LED高光功率密度下热稳定性与光化学稳定性较差；传统块体荧光粉(bulk phosphors)虽具优良热稳定性，但因粒径大导致强光学散射与横向光泄露(lateral light leakage)，引发色串扰(color crosstalk)并降低图像清晰度，不适用于高分辨率像素化配置。纳米尺度荧光粉(nano-phosphor, 粒径 typically 100–200 nm)可降低散射并兼容更高分辨率图案化，兼具块体荧光粉的高热稳定性与高转换效率，是潜在的理想色彩转换材料。本研究由研究人员发表于《ACS Photonics》，提出并验证了一种可与标准光刻兼容的纳米荧光粉色彩转换层，结合像素配准的彩色滤光片(color filter, CF)阵列与蓝光Micro-LED背板，实现确定性亚像素级色彩转换、低光串扰、高内量子效率(IQE ≈ 86%)及优异热稳定性(150 ℃后>99%发光恢复)，为全彩高分辨率Micro-LED微显示器提供可量产集成路径。

二、主要关键技术方法

研究人员采用双酚A(bisphenol A, BPA)基光聚物体系配制含100 wt%（相对聚合物质量）YAG基稀土激活纳米荧光粉(粒径100–200 nm)的光敏可图形化复合溶液；在载玻片及商用24 μm像素间距RGB彩色滤光片(CF)基板上旋涂、软烘后，使用365 nm紫外汞灯经铬掩模硬接触(hard-contact)曝光，后置烘(postexposure bake, PEB)并以甲基异丁基酮(methyl isobutyl ketone, MIBK)显影得到亚像素级图形化纳米荧光粉膜；将图形化纳米荧光粉膜与CF基板精确对准后，垂直键合至自制的12 μm像素间距、分辨率1280×768蓝光发射Micro-LED面板，构成三层叠层全彩显示器件；分别对纳米荧光粉膜进行光致发光(photoluminescence, PL)光谱与绝对光致发光量子产率(photoluminescence quantum yield, PLQY，近似内量子效率IQE)测试、变温/高温退火后室温发光恢复测试评估热可靠性，对集成器件进行单像素激发光学显微成像及横向强度分布提取以量化光串扰，并测量全屏点亮下RGB子像素发射光谱、CIE 1931色度坐标及白点(white point)。

三、研究结果

1. 2.
   纳米荧光粉图层化与全彩Micro-LED显示器的制备及集成(Fabrication and Integration of Patterned Nano-Phosphor Layers for Full-Color Micro-LED Displays)

2.1 可光图形化纳米荧光粉溶液制备(Preparation of Nano-Phosphor Photopatternable Solution)：研究人员将48.1 wt% BPA聚合物、50 wt%丙二醇甲醚醋酸酯(propylene glycol monomethyl ether acetate, PGMEA)溶剂及占聚合物质量4 wt%紫外光引发剂(BAPO)混合溶解，加入等聚合物质量的商用YAG基纳米荧光粉(粒径100–200 nm)磁力搅拌并超声分散3 h获得均匀稳定的光敏复合溶液，证实该配方兼容标准光刻并可保证荧光粉均匀分布。

2.2 玻璃基板上的工艺验证(Process Validation on Glass Substrates)：研究人员在洁净玻片上以3000 rpm旋涂30 s、110 ℃软烘，365 nm硬接触曝光(~6.0–7.2 J cm^–2)，110 ℃ PEB后MIBK显影60 s及异丙醇(isopropyl alcohol, IPA)冲洗。光学显微与荧光成像显示图形边缘锐利、发光均匀；多点荧光强度偏差在±3%以内，验证了纳米荧光粉复合溶液具备良好光图形化能力与像素级应用适用性。

2.3 彩色滤光片基板上的光刻图形化(Photolithographic Patterning on Color Filter Substrates)：研究人员将优化工艺移植至商用24 μm像素间距RGB CF基板，经清洗、同条件旋涂与光刻并通过高精度掩模对准CF亚像素布局。显微结果显示荧光粉图形与底层CF亚像素高保真配准，发光被空间限制在指定亚像素内，确认了工艺与实际显示架构的兼容性及对准精度。

2.4 全彩Micro-LED显示器件的集成(Integration of Full-Color Micro-LED Display Device)：研究人员将蓝光Micro-LED面板(1280×768, 像素间距12 μm)、图形化纳米荧光粉膜(匹配CF的24 μm亚像素布局)及预图形化RGB CF基板(像素间距24 μm)垂直对准集成，每一CF亚像素对应2×2蓝光μLED阵列。组装后器件在蓝光激发下呈现均匀全彩发射，证实了空间对准策略有效及纳米荧光粉层色彩转换功能完备。

1. 3.
   制备全彩Micro-LED的显示性能表征(Display Performance Characterization of the Fabricated Full-Color Micro-LED)

3.1 器件评估用纳米荧光粉层光学特性(Optical Properties of Nano-Phosphor Layer for Device Evaluation)：研究人员测得图形化纳米荧光粉膜在445 nm蓝光激发下PL谱为~480–750 nm宽谱、峰值位于黄绿区，与红/绿CF透射带重叠良好利于RGB分色；积分球测得绝对PLQY(在此近似为IQE)约86%(变异±1%)，与供应商标称值85%相符，表明光刻加工未损害材料本征发光效率。

3.2 图案化纳米荧光粉膜用于Micro-LED显示应用的热可靠性(Thermal Reliability of the Patterned Nano-Phosphor Film for Micro-LED Display Application)：研究人员升温测试中纳米荧光粉膜归一化发光强度至~100 ℃基本恒定，超此温度方出现热猝灭(thermal quenching)；对比CdSe基QD膜约60 ℃即开始衰减。将纳米荧光粉膜150 ℃保温1 h再回至室温，发光强度恢复>99%，证明图形化纳米荧光粉膜具优异热耐久性，适合Micro-LED运行可能遭遇的升温工况。

3.3 制备全彩Micro-LED显示器中的串扰评估(Crosstalk Evaluation in the Fabricated Full-Color Micro-LED Display Device)：研究人员对集成器件行单亚像素选择性激发，光学图像未见邻像素可视横向光泄露；提取横向强度剖面显示峰值宽度匹配24 μm CF节距且在像素边界外迅速衰减，表明光刻限定几何边界有效抑制了再发射光的横向传播，实现极低光学串扰。

3.4 显示均匀性与色准确度评估(Display Uniformity and Color Accuracy Evaluation)：研究人员测得屏内发光均匀性归一化因子达0.954，无亮暗斑；驱动全屏分显纯蓝/绿/红时各通道CIE 1931坐标为蓝(0.148, 0.052, λ_peak≈447 nm, fwhm≈23 nm)、绿(0.314, 0.624, λ_peak≈532 nm, fwhm≈62 nm)、红(0.604, 0.287, 由红CF半高截止λ_50%与半高带宽BW_50%表征)；白点坐际(0.2893, 0.3377)接近标准D65光源，表明纳米荧光粉发射谱与CF透射特性匹配良好且光刻对准精度保障了色纯度。

四、讨论与结论翻译（总结）

研究人员指出，本工作核心创新在于利用100–200 nm纳米荧光粉颗粒使色彩转换层可直接兼容标准光刻工艺，在蓝光Micro-LED背板上集成像素配准CF阵列与光刻限定纳米荧光粉图形化膜，实现决定性亚像素级色彩转换、精确对准与低光串扰；区别于依赖非光刻沉积或复杂像素结构的以往方案，该体系同时兼顾高IQE(~86%)、极低热致性能损失(150 ℃后>99%恢复)与可扩展至更细线宽(受限于实验室掩模对准器，演示24 μm亚像素节距但原理兼容高阶光刻)。结论为：本研究通过蓝光Micro-LED面板、光刻图形化纳米荧光粉薄膜与像素匹配彩色滤光片阵列的集成，演示了无需巨量转移或多外延生长即可获 vivid RGB发射的全彩Micro-LED显示器；建立的光刻兼容纳米荧光粉色彩转换架构解决了先前色彩转换微显示技术难以兼顾光串扰抑制、热稳定性与可扩展性的瓶颈，具有高IQE、低串扰与优异热稳定性，证明了纳米荧光粉基集成范式是面向AR/VR头显等紧凑高分辨率微显示平台务实且可扩展的实现路线。