综述：基于微发光二极管的微型显示技术的现状

《Progress in Quantum Electronics》：Current Status of Micro-Display Technology Based on Micro-Light-Emitting Diodes

μLEDs凭借高亮度、高效益等特性成为下一代微显示器的理想选择。通过介电层钝化、离子注入等工艺改进，显著降低了非辐射损耗并提升了光提取效率。然而，红、绿、蓝发光二极管在缩小像素尺寸时面临表面缺陷、量子阱退化等问题，需通过单片集成、异质集成或量子点转换等策略实现全彩显示，但规模化生产仍面临技术挑战。

　　

Ho-Young Kim | Jeong-Hwan Park | Dong Sing Wuu | Ray-Hua Horng | Tae-Yeon Seong | Hiroshi Amano

韩国庆尚南道城南市韩国理工学院半导体系统系，邮编13122

摘要

微发光二极管（μLED）因其高亮度、高效率、快速响应和卓越的可靠性而成为下一代微型显示器的有力候选者。材料与工艺工程的最新进展，如介质钝化、离子注入和原子层沉积技术，显著降低了非辐射损耗，并通过布拉格反射器和纳米结构表面等光学设计技术提高了光提取效率。此外，应力控制和缺陷减少使得红色μLED的性能得到了进一步提升。为了实现全彩色显示，采用量子点或钙钛矿进行单片集成或异质集成以及颜色转换，已经实现了亚5微米的像素分辨率和宽广的色域。本文综述了这些发展，并讨论了材料生长、器件物理特性与集成策略之间的相互作用。

引言

微型显示器能够在微型格式下实现高分辨率成像，使其在虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、智能眼镜和医疗成像设备等先进可视化技术中不可或缺。在LCD、OLED和μLED等竞争显示技术中，μLED具有多项显著优势。作为独立的自发光源，它们无需背光即可提供极高的亮度和宽广的色域，从而相比LCD和OLED实现了更低的功耗和更快的响应时间。此外，其无机特性赋予了更好的热稳定性和化学稳定性，延长了使用寿命，并提高了长期可靠性。

尽管如此，要实现基于μLED的微型显示器仍需克服若干技术挑战。虽然当前的纳米制造技术可以生产出尺寸小于5微米的μLED像素，但实现高产量、高均匀性和高效的大规模生产仍然困难。当使用单独生长的μLED芯片时，保持不同颜色之间的光学效率平衡尤为关键，因为需要精确的电流调节和缺陷管理以实现均匀的色彩表现。RGB发射体之间的材料性质差异进一步增加了可靠性的复杂性。对于红色LED（620–630纳米），像素尺寸的减小通常会由于低光提取效率（LEE）和界面缺陷而增加内部光损耗。基于InGaN的绿色μLED在微型化过程中会面临更高的缺陷密度和量子阱退化问题，从而降低量子效率。蓝色μLED则因侧壁缺陷和热积累而出现性能下降，影响载流子复合效率。

实现亚5微米像素间距的全彩色μLED微型显示器面临重大的材料、工艺和系统级挑战。将通常生长在不同基底上的红色、绿色和蓝色发射体结合在一起增加了复杂性。实现全彩色发射的方法包括质量转移、外延生长（单片集成或异质集成）以及颜色转换技术。然而，每种方法都在工艺复杂性、光学效率、颜色均匀性、可扩展性和可制造性方面存在权衡。质量转移技术已被广泛用于全彩色μLED显示器的制造，通过选择性地将优化后的红色、绿色和蓝色μLED芯片转移到驱动背板上。尽管这种方法能够独立优化材料，并已被证明适用于大面积显示器，但其可扩展性受到转移产量、对准精度和亚5微米像素间距下缺陷管理的限制。这些限制推动了下一代高PPI微型显示器单片集成和颜色转换策略的发展。

除了技术挑战外，商业化进程也凸显了解决这些瓶颈的紧迫性。基于μLED的微型显示器正从实验室演示向早期工业应用迈进，尤其是在AR领域。尽管OLED-on-Silicon（OLEDoS）由于其成熟的CMOS集成和已建立的晶圆级产量而在高端VR/MR系统中占据主导地位，但μLED微型显示器提供了更高的峰值亮度（>10^6 cd/m^2）、更高的能效以及更适合波导基AR平台的光学耦合性能。索尼继续在XR设备中主导商用OLED微型显示器的供应，而μLED微型显示器也在积极开发中，以满足下一代智能眼镜的高亮度要求。然而，通过单片RGB堆叠、隧道结集成或颜色转换实现亚5微米像素间距的全彩色显示仍然是广泛商业化的关键瓶颈。

从工业角度来看，苹果公司在2014年收购LuxVue体现了其对μLED技术的长期战略兴趣。然而，2024年有关苹果公司取消μLED智能手表项目的报道表明，成本、产量和供应链成熟度仍是重大挑战。PlayNitride通过基于质量转移的制造平台和产量优化策略推进μLED的商业化。同时，Porotech与半导体制造合作伙伴合作，采用200毫米GaN-on-Si μLED制造工艺，强调晶圆级均匀性和CMOS生态系统的兼容性。总体而言，竞争格局不再仅仅由发射体效率决定，还受到晶圆级缺陷控制、背板共集成、全彩色可扩展性以及系统级光学和热设计的综合影响，这些因素将最终决定μLED微型显示器在AR设备中的采用情况。

因此，本文全面概述了实现全彩色μLED微型显示器所面临的挑战。首先总结了RGB μLED的发展现状，重点介绍了缺陷和表面复合速度的影响。接着描述了AlGaInP和InGaN红色μLED的电学特性，以及减轻侧壁缺陷和增强光提取的策略。然后探讨了全彩色实现方法，包括质量转移、单片集成和异质集成（横向堆叠、垂直堆叠、隧道结、纳米结构以及V型沟槽设计），以及颜色转换技术（如喷墨打印、光刻、光刻胶辅助光刻和量子点光刻）。

部分摘录

RGB μLED芯片效率

生产尺寸小于几微米的像素面临重大技术挑战，需要创新解决方案来降低效率损失。随着像素尺寸的减小，表面（界面）缺陷、侧壁缺陷和非辐射复合等问题变得越来越严重，导致量子效率下降和潜在的颜色退化。开发先进的技术来控制和缓解这些效应至关重要。

介质层的影响

光电子器件的性能常常受到固有缺陷、晶体缺陷和表面污染物的限制。为了减轻这些问题，采用KOH、缓冲氧化物蚀刻和HNO3:HCl等表面清洁方法去除氧化物和杂质。表面钝化技术（如TMAH、(NH4)2Sx、CH3CSNH2、SiO2、Al2O3和Ta2O5）也被用来稳定半导体表面。

提高光提取效率

已经研究了多种技术来提高μLED的光提取效率（LEE），包括侧壁整形、衍射布拉格反射器（DBR）和表面纹理化。倾斜的侧壁常用于将平面内的横向磁光子重新导向基底，从而提高LEE。

全彩色实现策略

在不同基底上生长的全彩色RGB μLED的集成仍然是一个重大技术挑战。常见的方法包括外延生长（单片集成或异质集成）和颜色转换技术。然而，每种方法都面临特定的挑战，必须加以解决才能实现实用的RGB μLED阵列。

结论与展望

μLED凭借其卓越的亮度、快速响应、宽广的色域和卓越的长期可靠性，已成为下一代微型显示器中最有前景的技术之一。外延生长和器件设计的持续进步显著提高了μLED的效率。侧壁缺陷钝化、离子注入和原子层介质工程的进展有效降低了非辐射复合损耗。

CRediT作者贡献声明

Tae-Yeon Seong：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。 Ho-Young Kim：初稿撰写、研究、正式分析、数据管理。 Jeong-Hwan Park：初稿撰写、研究、正式分析、数据管理。 Ray-Hua Horng：初稿撰写、资金获取、正式分析、概念构思。 Dong Sing Wuu：初稿撰写、资金获取、正式分析。

未引用的参考文献

206.; 258.

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF-2022R1A2C2006887）和台湾国家科学技术委员会（NSTC 113-2622-8-A49-012-SB, 113-2221-E-260-007-MY3, 113-2221-E-A49-052-MY3, 112-2622-E-A49-011, 112-2221-E-A49-069-MY3）的支持。