近日，清華大學電子工程系盛興研究組開發了一種基于疊層式紅、綠、藍三色（RGB）微型發光二極管（micro-LED）的器件陣列設計，可用于全彩色照明和顯示。該研究通過探索外延剝離和轉移印刷技術，實現了基于不同單晶III-V族半導體的薄膜micro-LED在垂直方向上的異質集成。同時，通過設計具有波長選擇透過的光學薄膜作為micro-LED之間的界面層，提高了器件的發光效率和輻射性能。這種新穎的策略能夠實現可見光全覆蓋的可獨立尋址控制的動態圖案化顯示，為下一代新型顯示系統提供新的途徑。
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圖1. 堆疊RGB micro-LED陣列的概念圖
隨著智能可穿戴設備、增強現實和虛擬現實等新興科技的興起，高端顯示技術已成為市場的迫切需求。相比于基于液晶和有機LED器件的顯示技術，基于無機半導體材料的micro-LED顯示具有亮度高、壽命長、能耗低、響應速度快等特點，是下一代新型顯示技術的有力競爭者。然而，無機micro-LED顯示技術仍然面臨包括巨量器件集成在內的諸多關鍵技術難題，此外，micro-LED尺寸的減小也會帶來器件性能惡化和制造難度增加等問題。
圖2.堆疊RGB micro-LED陣列的示意圖和實物圖
本工作提出了一種疊層RGB micro-LED結構，與傳統并排放置的RGB器件結構相比，在同等器件尺寸下，疊層結構比并排結構可將顯示分辨率提升三倍，不僅提高了器件的發光性能，也降低了制備過程中對加工精度的要求。基于外延剝離和轉移印刷的方法，將基于不同無機III-V族單晶半導體結構的薄膜式micro-LED，包括銦鎵磷基（InGaP）紅光LED、銦鎵氮基（InGaN）綠光和藍光LED（尺寸~100μm2，厚度~5μm）異質集成，形成垂直堆疊結構。此外，該設計還在堆疊結構中嵌入了一個具有波長選擇性反射的薄膜界面層，以提升器件的光輸出效率。結合成熟的平面化工藝，制作為可獨立尋址控制的有源發光陣列，實現可見光波段全覆蓋的多色顯示。
圖3.堆疊RGB micro-LED器件的發光照片和電致發光性能
圖案化可動態調控的疊層RGB micro-LED顯示陣列證明了垂直堆疊結構設計的可行性，這些陣列帶有獨立的電接觸電極，用于LED的可獨立控制。該疊層設計策略有望擴展到大規模顯示陣列，也可被用來探索其在生物醫學等其他領域的應用。
圖4.用于顯示的圖案化RGB micro-LED陣列
該成果近期發表于《美國科學院院報》（Proceedings of the National Academy of Sciences USA），題為“面向全色顯示的疊層微型LED陣列”（Transfer-printed, tandem microscale light-emitting diodes for full-color display）。論文的通訊作者為清華大學電子系副教授盛興，第一作者為電子系博士生李麗珠，合作者來自于清華電子系、化學系、材料學院，成都辰顯光電公司，中科院蘇州納米技術與仿生研究所等單位。本工作獲得了國家自然科學基金、清華大學未來芯片技術高精尖創新中心、北京信息科學與技術國家研究中心等項目支持。
