复旦大学田朋飞、台湾交通大学郭浩中︱Progress in Quantum Electronics综述：Micro-L
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在过去几十年，显示技术得到了广泛使用。我们在生活中可以看到大量的应用，例如电视、大型视频广告牌、计算机、智能设备等。目前，液晶显示器（LCD）和有机发光二极管 (OLED) 显示技术占据显示市场。进一步地，显示器的各种新兴应用，例如虚拟现实（VR）和增强现实（AR），促进了高性能显示技术的发展。微发光二极管显示器（micro-LED显示）是一种主要基于无机GaN基LED的新兴技术，与LCD和OLED相比，它具有高对比度、低功耗、长寿命和快速响应等优点。将来，micro-LED的应用可以从平板显示器扩展到空间显示器、可穿戴/可植入光电设备、光通信、生物医学检测等领域。 下图描述了未来显示的一种应用场景：micro-LED可用作光电探测器来接收外部信号，高带宽micro-LED发射器也可以通过显示器并行地将信息传输给消费者。（图1.1，引用文献：X. Liu et al. ACS Photonics, 6: 3186 (2019)）高度集成的半导体信息显示是下一代信息显示技术的核心，它将空间3D光场显示（LFD）、多色照明（MCL）、精确空间定位（PSP）和可见光通信技术（LiFi）集成在一起。Micro-LED阵列是一种高效、低功耗的器件，可以将驱动器、照明和信号传输结合在一起。尽管micro-LED具有广阔的商业前景，但仍面临巨大挑战：例如尺寸减小对性能的影响，在单个晶圆上实现高密度集成以独立寻址全彩化micro-LED显示器，提高修复技术和产量等。
图1.1 集成micro-LED显示和双工可见光通信的智能Micro-LED显示系统。（来源：田朋飞团队发表论文ACS Photonics, 6: 3186 (2019)，相关成果被国际半导体行业的着名杂志Semiconductor Today新闻报道。） 二、文章简介 近日，复旦大学田朋飞副教授、台湾交通大学郭浩中教授等团队受Progress in Quantum Electronics主编邀请对Micro-LED显示全彩化关键技术“Growth, transfer printing and colour conversion techniques towards full-colour micro-LED display”进行了综述（https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2020.100263），该review论文由复旦大学、台湾交通大学、电子科技大学共同完成，复旦大学信息科学与工程学院博士研究生周小洁、田朋飞副教授为共同第一作者，田朋飞副教授、台湾交通大学郭浩中教授为共同通讯作者。《Progress in Quantum Electronics》杂志为国际知名review期刊，3年平均影响因子8.95。 文章介绍了micro-LED的结构、制备与衬底剥离技术，系统阐述了实现micro-LED显示全彩化的主要方法：材料生长、转移打印、色转换。论文对三种关键技术的机理、实现方法、优缺点进行着重介绍，并总结了关键技术所面临的挑战及micro-LED显示全彩化未来的发展方向（图2.1）。
图2.1 实现micro-LED显示全彩化的主要方法 三、主要内容 1、材料生长 Micro-LED的生长技术是获得micro-LED显示全彩化的方案之一，该方法可以实现超高分辨率显示。文中主要讨论了纳米线LED、多色量子阱（QW）结构micro-LED和纳米环LED三种结构。 纳米线LED的制备是利用选区生长（SAG）技术。通过控制InGaN/GaN纳米线的成分来实现发光颜色的转换。图1呈现出了组装纳米线阵列LED和独立纳米线LED的结果图。可以看出，随着尺寸的增大，二者表现出不同的发射峰移动方向。（图3.1，引用文献：①B.H. Le et al. Advanced Materials 28 (2016) 8446-8454. ②H. Sekiguchi et al. Applied Physics Letters 96 (2010) 231104.③Y.-H. Ra et al. Nano Letters 16 (2016) 4608-4615.）
图3.1 多色QW结构micro-LED的颜色调控是基于QW的特殊结构，再利用能带填充和量子限制斯塔克效应（QCSE）屏蔽的竞争关系实现发射峰的蓝移。相关结构与测试结果如图3.2所示。（图3.2，引用文献：S. Zhang et al. IEEE Photonics Journal 4 (2012) 1639-1646.）
图3.2 对于纳米环LED的发光颜色转换，是通过减小壁厚度及释放内部应变来抑制QCSE，进而促进发射峰的蓝移，如图3.3所示。（图3.3，引用文献：①S.-W. Wang et al. Scientific Reports 7 (2017) 42962. ②S.-W.H et al. Photonics Research 7 (2019) 416-422.）
图3.3 2、转移打印 转移打印是实现micro-LED显示全彩化的关键技术。自John Rogers教授团队利用PDMS stamp转移micro-LED，Martin Dawson教授团队实现纳米精度PDMS转移后，各大公司提出了不同的转移技术。本文根据大量论文、专利的知识，主要描述了范德瓦尔斯力转移打印、激光选择性释放、静电吸附、电磁力吸附、流体转移五种方法。表1显示了转印技术的典型参数，包括关键材料、作用力、UPH和适用芯片尺寸。以PDMS stamp拾取技术为例，UPH随着PDMS stamp的尺寸，像素密度和拾取周期的增加而上升。 表1
范德瓦尔斯力转移打印是利用PDMS stamp拾取速度与材料间能量释放率的关系来实现的，图4为二者的关系。（图3.4，引用文献：X. Feng et al. Langmuir 23 (2007) 12555-12560.） ◆v大于vc时，PDMS stamp和micro-LED之间的粘附性大，PDMS stamp从原始衬底拾取micro-LED ◆v小于vc时，micro-LED和衬底之间的粘附性大， PDMS stamp将micro-LED打印到接收衬底上
图3.4 激光选择性释放是利用材料对激光的不同吸收系数，引起界面的热膨胀，从而引起牺牲层的烧蚀，使micro-LED从原始衬底转移到接收衬底，如图5所示。（图3.5，引用Sony的专利。）若为GaN外延片，界面处的GaN缓冲层分解成Ga和N2，实现芯片的分离和转移。
图3.5 |
