進(jìn)入到人工智能和大數(shù)據(jù)時代，顯示器件不再是簡單的信息顯示屏，而是具備可互動、高逼真和沉浸式的信息交互終端，對顯示器件提出了可實現(xiàn)空間三維影像、可交互、節(jié)能、輕薄、柔性可折疊卷曲、超大尺寸等要求。顯示產(chǎn)業(yè)從材料、裝備、器件到制造技術(shù)等整個技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈正進(jìn)入一次全新的革命。Micro-LED顯示技術(shù)應(yīng)運而生。隨著產(chǎn)業(yè)鏈玩家不斷加碼布局，誰能破解新賽道”密匙“打開技術(shù)的先河，至關(guān)重要。

什么是Micro-LED？

Micro-LED顯示技術(shù)是一種自發(fā)光顯示技術(shù)，通過將陣列化的微米級LED發(fā)光器件（μLED）集成在有源尋址驅(qū)動基板上，以實現(xiàn)單獨控制和點亮，從而輸出顯示圖像。Micro-LED顯示具有自發(fā)光、高分辨率、低響應(yīng)時間、高集成度、高可靠性等諸多優(yōu)點，且體積小、靈活性高、易于拆解與合并，能夠應(yīng)用于現(xiàn)有從小尺寸到大尺寸的任何顯示應(yīng)用場合中，且在很多應(yīng)用場景下，Micro-LED顯示比液晶顯示（LCD）和有機發(fā)光二極管顯示（OLED）能發(fā)揮出更優(yōu)異的顯示效果。

Micro-LED顯示外延技術(shù)挑戰(zhàn)

盡管Micro-LED顯示技術(shù)正迅速發(fā)展，但由于LED從照明應(yīng)用向顯示應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，使其對LED外延方面提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。

(1) 襯底材料的選擇

襯底材料的選擇以及外延技術(shù)對于Micro-LED器件的性能有著至關(guān)重要的影響。由于Micro-LED芯片較傳統(tǒng)芯片微縮至小于５0μｍ，其極高的良率、均勻性要求對于襯底的選擇和外延技術(shù)提出了更高的要求與挑戰(zhàn)。應(yīng)用于高分辨顯示時，Micro-LED的注入電流密度非常低，由缺陷所導(dǎo)致的非輻射復(fù)合尤為突出，大大降低了Micro-LED的光輸出效率，因此對于Micro-LED則需要更低缺陷密度的外延片。

表1不同襯底的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、熔點及相對GaN材料的晶格失配度和熱失配度

目前可商用化大規(guī)模運用的襯底包括藍(lán)寶石、SiC和Si等襯底，但是以這些襯底作為GaN外延為異質(zhì)外延，其由于異質(zhì)襯底與GaN外延層晶格失配和熱失配，使外延層的位錯密度較高。相比較于藍(lán)寶石、SiC和Si等異質(zhì)襯底，選用GaN材料作為襯底，可以大大提高外延片的晶體質(zhì)量，降低位錯密度，提高器件工作壽命、發(fā)光效率和器件工作電流密度。但是，制備GaN單晶襯底非常困難，GaN襯底的價格十分昂貴，且最大尺寸只有４英寸（10.16 cm），因此難以滿足商用化的需求。

(2) 波長均勻性控制

Micro-LED顯示技術(shù)是一種自發(fā)光顯示技術(shù)。高分辨顯示應(yīng)用中，Micro-LED的發(fā)射波長不均勻所導(dǎo)致的顯色差別會極大影響顯示效果。為保證顯示效果，Micro-LED外延片單片波長變化標(biāo)準(zhǔn)差需要控制在0.8 nm或更小。因此在金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）外延生長InGaN/GaN量子阱過程中，氣流和溫度均勻性的控制尤為重要。

優(yōu)化MOCVD外延生長過程中氣流均勻性對LED波長均勻性的提升起著至關(guān)重要的作用。目前最新國產(chǎn)的中微MOCVD設(shè)備Prismo UniMax通過采用分區(qū)控溫技術(shù)，保證在外延生長時整個溫場平衡，同時利用MO源及氣流均勻性等一系列應(yīng)變調(diào)控技術(shù)，從而提升LED外延片波長均勻性以滿足Micro-LED顯示需求。針對Micro-LED應(yīng)用對波長均勻性的高要求，可以優(yōu)化石墨托盤設(shè)計，使其具有一定曲率在外延生長過程中更加匹配外延片翹曲已取得對溫度均勻性控制的進(jìn)一步提升。

圖2（a）中微Prismo UniMax分區(qū)控溫 （b）藍(lán)光LED外延片PL Mapping

(3) 缺陷控制

位錯作為非輻射復(fù)合中心和漏電通道會顯著影響芯片Micro-LED性能。由于Micro-LED尺寸小，注入電流密度低，其光電性能對位錯密度十分敏感。目前，圖形化襯底技術(shù)、緩沖層技術(shù)等更多地被應(yīng)用于藍(lán)寶石或硅襯底GaN的異質(zhì)外延生長，用以降低位錯密度提高晶體質(zhì)量。高質(zhì)量GaN襯底的同質(zhì)外延技術(shù)可以有效降低LED外延外延片的位錯密度。

南昌大學(xué)團隊通過在硅襯底上優(yōu)化AlN緩沖層及超晶格插入層過濾位錯技術(shù)，提高硅襯底LED外延層質(zhì)量。其外延結(jié)構(gòu)和外量子效率變化曲線如圖３(a)、（b）所示。通過此方法將發(fā)光波長551 nm LED外量子效率(EQE) 提高到了37.7%（4A/cm2）。繼續(xù)通過利用缺陷引入V形坑大大提高In組分改善晶體質(zhì)量，V形坑使得有源區(qū)由傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)變成立體結(jié)構(gòu)，除原有豎直方向p-n結(jié)外引入了水平方向p-n結(jié)，協(xié)調(diào)兩者可控制載流子輸運路徑以及復(fù)合位置，從而提高LED性能。圖３(c) 給出了典型V形坑截面圖以及V形坑附近載流子的運輸路徑和重組位置。

圖３（a）帶有位錯過濾層的LED外延層結(jié)構(gòu)圖；(b)外量子效率變化曲線；（c）典型V形坑截面圖，V形坑附近載流子的運輸路徑和重組位置圖。

從普通LED照明到Mini-LED顯示,再到Micro-LED顯示，芯片尺寸不斷縮小，所帶來的困難也不斷增加。Micro-LED不僅需要在外延技術(shù)上突破，并且MOCVD設(shè)備的更新?lián)Q代也同樣重要。目前Micro-LED受制于成本及良率，展望未來，Micro-LED大規(guī)模商業(yè)化依然任重道遠(yuǎn)。

來源：兆馳半導(dǎo)體