Micro-LED正逐漸成為下一代顯示技術(shù)，其特點(diǎn)是具有高分辨率、高亮度和高響應(yīng)速度，這些特性在光通信、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或虛擬現(xiàn)實(shí)以及可穿戴設(shè)備領(lǐng)域至關(guān)重要。美能顯示作為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的顯示技術(shù)檢測(cè)公司，一直密切關(guān)注著Micro-LED技術(shù)的發(fā)展，并致力于通過(guò)先進(jìn)的檢測(cè)手段推動(dòng)其性能提升和應(yīng)用拓展。

最初，III-V族半導(dǎo)體被提議用于構(gòu)建Micro-LED顯示屏，因?yàn)樗鼈兙哂懈甙l(fā)光效率和穩(wěn)定性。然而，其實(shí)際應(yīng)用面臨一些限制。（1）隨著像素尺寸的縮小，效率會(huì)下降，這使得像素尺寸的下限約為30μm；（2）由于轉(zhuǎn)移技術(shù)效率不高，其可擴(kuò)展性也受到限制。

這些挑戰(zhàn)促使人們探索其他材料體系，例如金屬鹵化物鈣鈦礦，他們?cè)?strong>高分辨率圖案化和可擴(kuò)展制造方面具有極大潛力。

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MILLENNIAL DISPLAY

CsPbBr3鈣鈦礦的外延生長(zhǎng)

Micro-LED應(yīng)用對(duì)材料提出了同時(shí)且嚴(yán)格的五項(xiàng)要求：

• 高結(jié)晶度以實(shí)現(xiàn)高效的發(fā)光復(fù)合

• 晶體厚度小于微米級(jí)，以利于載流子傳輸

• 無(wú)晶粒邊界的晶體以避免短路

• 光學(xué)平整度以實(shí)現(xiàn)均勻發(fā)光

• 從外延襯底上快速剝離薄膜且損傷最小

以往的外延方法很難同時(shí)滿足所有這些要求。

來(lái)自中科院/理化所的研究人員實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的外延生長(zhǎng)，使其能夠無(wú)縫集成到像素尺寸低至4μm的Micro-LED中。通過(guò)利用石墨烯中間層和（0001）取向藍(lán)寶石襯底實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦外延生長(zhǎng)的方法。

制備工藝示意圖

(左)利用藍(lán)寶石襯底和石墨烯中間層實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦外延生長(zhǎng)的示意圖；

(右)外延薄膜與功能層集成構(gòu)建發(fā)光二極管

外延生長(zhǎng)完成后，借助石墨中間層削弱外延層與襯底之間的結(jié)合力，通過(guò)簡(jiǎn)單快速的釋放過(guò)程即可將鈣鈦礦薄膜從襯底上剝離。這種獨(dú)立的鈣鈦礦薄膜可無(wú)縫集成到Micro-LED器件中。

研究人員采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)CsPbBr3鈣鈦礦的外延生長(zhǎng)，首先在多個(gè)位置于外延襯底上成核，然后橫向生長(zhǎng)，最終合并成無(wú)晶粒邊界薄膜。熒光顯微鏡圖像顯示了均勻的光致發(fā)光（PL），沒(méi)有觀察到晶粒邊界散射。

(左)外延襯底上鈣鈦礦薄膜的照片；(右)熒光顯微鏡拍攝圖像

為了進(jìn)一步展示應(yīng)力弛豫在鈣鈦礦程外延生長(zhǎng)中的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)改變鹵化物的化學(xué)計(jì)量比來(lái)進(jìn)一步調(diào)整鈣鈦礦的成分。

不同成分的鈣鈦礦薄膜圖像和對(duì)應(yīng)的熒光顯微鏡圖像

上圖展示了具有不同成分的外延鈣鈦礦薄膜，對(duì)應(yīng)的鈣鈦礦帶隙范圍為3.00至1.94 eV。熒光顯微照片顯示所有鈣鈦礦成分的光致發(fā)光分布均勻，無(wú)光散射現(xiàn)象，表明成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)晶粒邊界外延薄膜的外延生長(zhǎng)。

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超高分辨率微型發(fā)光二極管

受這些高質(zhì)量外延鈣鈦礦薄膜的啟發(fā)，研究人員開(kāi)始展示其在Micro-LED中的應(yīng)用。將生長(zhǎng)在石墨藍(lán)寶石襯底上的CsPbBr3外延層剝離，然后轉(zhuǎn)移到帶有透明電極和空穴傳輸層的LED襯底上。為了構(gòu)建微米級(jí)像素，在鈣鈦礦上制作光刻膠圖案以隔離每個(gè)像素。這種策略能夠?qū)崿F(xiàn)低于10μm的分辨率，而無(wú)需直接對(duì)鈣鈦礦進(jìn)行刻蝕，因?yàn)榭涛g不可避免地會(huì)引入缺陷和表面損傷。

為了評(píng)估光刻過(guò)程中鈣鈦礦可能受到的損害，對(duì)光刻前后的外延薄膜進(jìn)行了TRPL和PLQE測(cè)量。原始薄膜和圖案化薄膜的PLQE和光生載流子壽命相當(dāng)，表明在光刻過(guò)程中未檢測(cè)到損傷。這些結(jié)果歸因于全無(wú)機(jī)鈣鈦礦的內(nèi)在化學(xué)穩(wěn)定性以及光刻膠和顯影過(guò)程中使用的非極性溶劑。

鈣鈦礦薄膜的TRPL和PLQE測(cè)量

為評(píng)估器件性能，首先制備了具有0.04mm2的外延晶體鈣鈦礦發(fā)光二極管，對(duì)應(yīng)像素尺寸為200μm。該LED在亮度為6.0x104cd m-2時(shí)的峰值外量子效率(EQE)為16.7%（下圖a），最大亮度為4.0x105cdm-2（下圖b）。對(duì)25個(gè)器件的EQE和亮度統(tǒng)計(jì)顯示，平均值分別為14.1%和1.8x105cd m-2（下圖c）。Micro-LED的運(yùn)行穩(wěn)定性在200μm像素的器件上進(jìn)行測(cè)量。在初始亮度為1,000cd m-2時(shí)，半衰期T50，即亮度衰減至初始值50%所需的時(shí)間，可達(dá)到9.5小時(shí)（下圖d）。

Micro-LED的實(shí)際應(yīng)用需要將LED器件與電子背板集成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)像素的獨(dú)立控制。外延鈣鈦礦薄膜的光電特性和高效轉(zhuǎn)移特性使其能夠與最小像素尺寸為16μm的商業(yè)化LED背板集成。下圖展示了顯示面板的照片和器件結(jié)構(gòu)，其中薄膜晶體管用于獨(dú)立控制每個(gè)鈣鈦礦像素。

顯示面板的照片和器件結(jié)構(gòu)示意圖

基于轉(zhuǎn)移的外延鈣鈦礦薄膜，構(gòu)建了一個(gè)50x50像素的Micro-LED顯示屏。這些Micro-LED陣列用于顯示亮度均勻的靜態(tài)圖像。通過(guò)動(dòng)態(tài)獨(dú)立控制每個(gè)像素，進(jìn)一步展示了這種Micro-LED器件的視頻顯示能力。

鈣鈦礦Micro-LED顯示的靜態(tài)圖像和視頻截圖

綜上所述，通過(guò)鈣鈦礦外延生長(zhǎng)技術(shù)，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了高性能Micro-LED的制備。這種技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)Micro-LED材料在小尺寸像素化和可擴(kuò)展性方面的限制，還通過(guò)高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜實(shí)現(xiàn)了高效率、高亮度和高穩(wěn)定性的顯示性能。此外，該技術(shù)還展示了與商業(yè)化電子背板的兼容性，為未來(lái)Micro-LED在高端顯示領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

盡管目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著研究的不斷深入，鈣鈦礦Micro-LED有望在未來(lái)顯示市場(chǎng)中占據(jù)重要地位，為人們帶來(lái)更加卓越的視覺(jué)體驗(yàn)，美能顯示也將憑借其專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)技術(shù)和豐富經(jīng)驗(yàn)，為鈣鈦礦Micro-LED技術(shù)的優(yōu)化與質(zhì)量把控提供堅(jiān)實(shí)支持，助力這一新興顯示技術(shù)不斷成熟、走向更廣闊的市場(chǎng)。原文出處：《Remote epitaxial crystalline perovskites forultrahigh-resolution micro-LED displays》

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