中科院长春光机所应用光学国家重点实验室梁静秋研究团队探索了几种全彩色Micro-LED微显示的方法。
Micro-LED 显示技术是近年来继OLED 显示技术后最受关注的平板显示技术。作为固体主动发光器件，Micro-LED具有工作电压低、发光效率高、响应速度快、性能稳定可靠、工作温度范围宽等优点，在电视、电脑、微型投影机、无掩膜光刻、手机、手表、AR、VR 等中小型和微型显示器件中具有重要的应用需求。
Micro-LED在2000年左右被首次提出。2004年，英国斯特克莱德大学研究团队使用干法刻蚀技术制作出GaN基蓝光Micro-LED阵列，像素大小为20μm，像素数为128×96。2006年，长春光机所梁静秋研究团队利用分层湿法腐蚀制备了AlGaInP红光Micro-LED阵列，像素大小为16μm×20μm，像素数量为1000×818。2011年，美国德克萨斯州立大学研究团队制作出像素大小为15μm的GaN基绿光Micro-LED阵列，像素数为640×480。2014年，苹果公司收购Lux Vue，正式入场Micro-LED的技术研究，Micro-LED技术也进入了大众的视野。
在Micro-LED 器件发展过程中，国际上的研究工作多集中于红光、蓝绿光和紫外光等单色Micro-LED 器件的结构、制作工艺、器件特性等方面。图1以蓝宝石衬底外延片为例，给出了Micro-LED的结构和简要制备流程。外延层通常包括 GaN 缓冲层、n 型 GaN、InGaN/GaN 多量子阱、AlGaN 电子阻挡层和 p- GaN 层等。Micro LED的制作流程通常包括ICP台面刻蚀、n电极金属沉积、SiO2 层沉积、p电极沉积及退火等。
图 1 Micro-LED的简要制备流程
随着对Micro-LED 显示器件应用需求的日益迫切，全彩色Micro-LED 器件制备技术也逐渐成为了研究热点。常规的红、绿、蓝三色LED通常不能在同一基板上同时生长，迄今为止，大多数的研究主要集中在单色显示方面。为了实现全彩色Micro-LED微显示，梁静秋团队的研究人员进行了如下探索。
1.三色集成全彩色Micro-LED微显示
通过转移红绿蓝三色Micro-LED发光芯片到硅基驱动电路，制作了全彩色可独立寻址微型显示器件。使用硅片作为基底，通过光刻和磁控溅射制造金属化图案，金属化图案由金属焊盘和导线组成。显示器件的每个像素由红色，绿色和蓝色Micro-LED芯片组成。图2为制作的Micro-LED微显示器，红绿蓝三色从上至下行扫描整个显示阵列。
图 2 Micro-LED微显示器
红绿蓝Micro-LED芯片均为倒装芯片，大小形状相同或相近，采用倒装键合工艺制作，具有良好的工艺一致性，而且制作周期短，效率高。由于无需引线键合，阳极焊盘可以设置在Micro-LED的下面，有利于进一步减小全彩像素单元尺寸。这种微显示器具有高亮度和宽工作温度范围的特点，在室内/室外应用中具有巨大的潜力。
2.单片集成量子点Micro-LED微显示器件
通过采用量子点材料制备了匹配蓝光Micro-LED 阵列的量子点色转换层，实现了Micro-LED 阵列器件全彩化。全彩器件由蓝光Micro-LED、红光量子点、绿光量子点组成。蓝光Micro-LED同时作为激发光照射到量子点材料，分别辐射出红光和绿光，如图3所示。
图 3 单片集成量子点Micro-LED微显示器示意图
量子点色转换层基板的制备流程如下。首先，在透明玻璃基板表面蒸镀长波通滤光膜，通过飞秒激光对滤光膜层分区刻蚀；然后，在滤光膜层表面制备PDMS聚合物膜层；最后，在其上制备红光和绿光量子点像素单元。将制备的色转换层与蓝光Micro-LED阵列集成，以实现全彩显示。图4为有无滤光膜情况下的单片集成量子点Micro-LED微显示阵列对比。无滤光膜时，大量蓝光穿透量子点色转换层，产生大量蓝光背景光，造成量子点像素单元发光时色纯度降低，影响了器件显示能力；而有滤光膜后，滤光膜有效抑制了蓝光出射，提高了红光和绿光像素单元发光色纯度。
图 4 无滤光膜和有滤光膜时的单片集成量子点Micro-LED微显示器阵列
通过无毒InP/ZnS核壳量子点材料实现基于蓝光Micro-LED阵列的全彩色显示器件，可以发挥环境友好型量子点材料优异的光致发光特性，提升全彩Micro-LED显示器件的显示品质。
3. 三色合成Micro-LED微投影显示
分别制作红、绿、蓝单片Micro-LED显示阵列，通过光学系统合光并投影到接收屏上，实现Micro-LED全彩微投影显示。
图 5 Micro-LED微投影显示示意图
红光Micro-LED显示阵列由AlGaInP-LED制作。通过刻蚀、填充正面与背面隔离沟道、沉积p电极、n电极和退火等工艺制作红光Micro-LED显示阵列，显示效果如图6所示。绿光与蓝光Micro-LED显示阵列均采用蓝宝石衬底的GaN外延片，制作流程如图1所示。
图 6 红光Micro-LED显示阵列
光学系统作为Micro-LED微投影显示的关键，对成像效果有着至关重要的作用。微投影系统将显示芯片上的图像真实地加以还原，在投影屏幕上投射出清晰画面。图7为Micro-LED微投影显示光学系统示意图。该光学系统具有体积小，结构简单，投影效果好，易加工生产等诸多优势。
图 7 Micro-LED微投影显示光学系统示意图
挑战与展望
Micro-LED全彩微显示的实现面临的一些挑战：
（1）如何满足Micro-LEDs批量制造、转移、集成技术和装备需求；
（2）如何提高Micro-LEDs良率；
（3）适用于Micro-LED微显示的高效低成本有源驱动方案；
（4）如何提高基于量子点的Micro-LED器件寿命。
虽然Micro-LED微显示技术也许在短时间内还不能成为主流显示技术，但经过科研人员的共同努力，会有越来越多的技术得以突破，而Micro-LED微显示技术也终将会推动显示行业继续蓬勃发展。
