港城大Adv Opt Mater綜述:微型顯示器(Microdisplay)

一、?【文章信息】 ?

這篇綜述主要介紹下一代先進微型顯示器用的發光技術，包括Mini-LED，Micro-OLED和Micro-LED。內容涵蓋了各自技術的優缺點，以及研發的方向和成果，協助領域內外的人員迅速了解微型顯示器的現況與未來。

第一作者：繆文茜

通訊作者：何志浩教授，郭浩中教授

單位：香港城市大學，鴻海研究院半導體研究所

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adom.202300112

二、【研究背景】

微型顯示器作為下一代智能設備的核心部件，能夠結合照明、驅動系統，甚至數據傳輸的功能，使得AR、VR、HUD、汽車顯示和穿戴設備等應用領域落地。

在過去10年，該技術一直處于默默發展的階段。然而，最近幾年有大量的初創企業成立，行業巨頭們大力投入該領域，而在學術界也繼續有不少前沿研究在進行，種種因素都表明該行業在未來將擁有巨大的發展潛力。

目前主要有三種技術能被用在微型顯示器中，分別是次毫米發光二極管（Mini-LED）、微有機發光二極管（Micro-OLED）以及微發光二極管（Micro-LED）。他們分別有各自長處、短板及瓶頸，但毋庸置疑的是三種技術都將在未來占有一席位。

三、【技術簡介】

Mini-LED

Mini-LED一般指一百到數百微米的無機發光晶體（例如氮化鎵（GaN）、坤化鎵（GaAs）、磷化鋁銦鎵（AlInGaP）、氮化銦鎵（InGaN）等）。目前多應用于背光源（BLU），例如液晶顯示器（LCD），但搭載Mini-LED的LCD屏幕一般會被當成是Mini-LED屏幕。它的結構中仍然有著偏光層、液晶層和濾光片等LCD顯示器的結構，故此，Mini-LED屏幕仍繼承了LCD部分的缺點。但相對的是成熟的制程和較低的價錢。

圖1 Mini-LED結構示意圖

Micro-OLED

Micro-OLED一般指由五十微米以下的有機晶體形成的發光單元。其采用了硅基OLED （OLEDoS）技術，透過將OLED蒸鍍到硅基晶圓上，再通過半導體制程加工而得到微米級像素。Micro-OLED具有出色的光學性能，但由于有機材料需要良好的保護，其結構相對復雜，包括電子/空穴傳輸層、透明電極、以及保護用的封裝。同時，Micro-OLED在亮度和壽命方面的性能亦不盡理想。

圖2 Micro-OLED結構示意圖

Micro-LED

Micro-LED一般由五十微米以下的無機發光晶體組成（同Mini-LED材料），而且比起Mini-LED要更加薄。因為剝離了藍寶石層，Micro-LED具有最簡單的結構，并具備超越其他兩種技術的性能，所以被認為是AR/VR等設備的最佳選擇。唯技術仍在發展的階段，目前并未真正實現量產。當中的原因是量子效率在像素縮小的時候會大幅衰減，同時不成熟的工藝導致的成本問題。但這些問題部分已經得到解決，且學術界與業界亦在努力攻克余下的問題點，希望盡快把Micro-LED技術量產化。

圖3 Micro-LED結構示意圖

四、【研究發展方向】

這部分會挑選部分跟材料相關的方向，有興趣了解更多的讀者可以自行下載文章閱讀。

另外，三種顯示技術的部件和技術發展在一定程度上是類近的，所以Micro-LED的部分技術和思路也是可以套用到Micro-OLED上的，如此類推。

4.1 Mini-LED

Mini-LED的短板某程度上是跟LCD相關的。所以，在改善Mini-LED的性能是，通常會牽涉到傳統的LCD部件。

Li等人提出了一種在藍色Mini-LED背光上采用量子點膜加上二色性反射鏡（Spectral Dichroic Layer）的結構，以增加紅光與綠光的外部量子效率（EQE）。由于量子點膜在發出激發光的時候并沒有指向性，部分紅光和綠光會向發射反方向，導致發光效率的損失。通過二色性反射鏡，允許藍光通過并激發量子點膜，同時將向后發射的紅光和綠光反射回發光方向。結果白光、紅光、綠光和藍光的亮度分別提高31%、67%、28%和8%。

圖4 紅、綠光在量子點膜加二色性反射鏡下的反射路徑

Prodanov等人提出了特別設計的T形配體，以獲得高濃度且靈活排列的納米棒（NRs）薄膜，用以解決偏光層低效率的問題。但單向排列的納米棒往往受限于膜中有限量子棒濃度，導致亮度不足以作為顯示器中的增亮膜（BEFs）。這可以歸因于量子棒在聚合物中的親和力差和偏振發射的濃度依賴性。透過使用T形形狀的發旋旋旋光性磷酸在光照對準時能夠使量子棒相互平行排列的特性，使得混合薄膜中的QRs濃度高達10 wt.%-20 wt.%，同時保持高亮度和發光偏振性質。

圖5 量子棒的取向性、T形配體結構、及吸收/激發峰

另外，光的均勻性對于Mini-LED顯示器亦非常重要，文中提到多種光學設計，包括微透鏡陣列，二氧化硅/二氧化鈦多層結構，先進光擴散片等手段。目的是令顯示圖像更加柔和，提升觀看體驗。

圖6 (a)傳統/(b)新型擴散片對于光均勻性的影響

4.2 Micro-OLED

Micro-OLED受有機材料的缺點限制，在亮度，壽命方面被詬病，但同時也是比較熱門的研究項目。

Micro-OLED主要可以分為兩種，紅、藍、綠三色亞像素單獨發光，或利用白光背光源加上濾光片的顯示模塊。前者對于材料、設計和工藝要求較高；而后者則需要犧牲發光的亮度。圖7顯示了在相同電流密度下，直接發光的器件比透過濾光層的器件亮度提升了超過1倍。

圖7 直接發光型Micro-OLED結構及相對傳統結構的流明度曲線

有研究從另一個角度出發，透過堆疊多層的Micro-OLED使亮度增加，該思路能在不改變電流密度、像素密度的情況下提升亮度，從而避免犧牲器件的壽命。

另外值得注意的是，由于Micro-OLED采用頂發射發光結構，一般在有機發光層以上的部件皆需要兼具功能層與透光層的特性，包括陰極、封裝/保護結構等。這些材料的透光性會直接影響到顯示器件的量子效率。

而同樣重要的是發光層下方的反光特性，由于光同樣會向下激發，所以陽極的必須具備極高的光反射能力，例如加上分布式布拉格反射層（DBR）或其它手段。

圖8 頂發光型Micro-OLED結構

在壽命/可靠性方面，最直觀的方法是透過減低電流密度來避免超載，但在結構和材料上也可以進行優化。

首先在設計發光結構時，需要考慮到電子傳輸層（ETL）與空穴傳輸層（HTL）的厚度比例。這是由于電子和空穴在兩種物料中的傳輸速率不相等，有可能導致其中一邊的載流子過多。所以，透過更薄的HTL增加空穴，和更厚的ETL減少電子，能夠獲得高發光效率并延長發光壽命。

當然，OLED材料本身的效率和耐用性也是重要的因素，故此Micro-OLED領域在前沿的研究需求還是相當大的。

4.3 MicroLED

Micro-LED在光學性能方面有著突出的表現，其最大的問題是尺寸效應帶來的效率下降和過高的生產成本。

量子效率的下降主要歸咎于側壁缺陷帶來的非輻射復合，由于晶體尺寸縮小到微米級，表面面積占整體面積的比例會變大，所以側壁缺陷的問題尤為明顯。

表面鈍化在一定程度上能減緩這個問題，Wong等人利用原子層沉積技術（ALD），將二氧化硅層級在晶體表面，使得該20×20 μm器件的EQE從24%上升至33%。

圖9 透過SiO₂鈍化提升Micro-LED的內部量子效率

另外，Zhu等人報告了一種消除MicroLED尺寸效應的方法。他們透過中子束刻蝕（NBE）技術取代傳統的電感耦合等離子體刻蝕（ICP），使6微米-40微米Micro-LED晶體的EQE沒有明顯變化。原因在于用ICP進行圖案化時，高能粒子會在晶體表面幾十納米的深度轟擊出缺陷，而NBE則能避免這問題出現。同時，使用NBE定義的形狀的刻蝕角度是98度，比ICP工藝的116度小。

圖10 使用ICP（左）和NBE（右）刻蝕的藍光LED外部量子效率對比

在發光材料方面，基于GaN的MicroLED藍光和綠光晶體發光效率尚可，唯獨紅光晶體在微米尺寸中的IQE非常低。紅光LED一般采用磷化鋁銦鎵（AlInGaP）、氮化銦鎵（InGaN）或磷化銦鎵（InGaP）等材料。其中磷化鋁銦鎵和磷化銦鎵受尺寸效應的問題困擾大，加上前者在高溫的不穩定和欠佳的機械性能，令其難以應用在更高端的Micro-LED場景。而最近幾年比較熱門的InGaN基紅光材料，其受到尺寸效應影響的程度較低，在高溫下也相對穩定，但材料的生長工藝仍然比較困難。

另一方面，不少企業和院校都在投入研究單顆全彩LED。Hong等人報道了一種可見光范圍可調節的LED器件，透過在GaN納米棒數組基底生長InGaN/GaN多量子阱結構（MQWs）并覆蓋Mg摻雜后的p-GaN。這種器件能夠根據電壓大小可以在一定范圍調整發光顏色。亦有團隊通過InGaN在高電壓下的藍移現象，制作出可調波長的MicroLED器件。在器件結構上，垂直堆疊的Micro-LED在最近幾年也獲得許多關注，包括清華大學、麻省理工大學、南方科技大學都有相關工作在進行。

圖11 可調波長LED的多量子阱結構

最后，量子點（QD）技術在Mini-LED和Micro-LED器件中都擔任很重要的角色。目前主要有幾個問題，包括轉換效率及穩定性。

Kang等人透過將QD嵌入奈米多孔GaN結構，藉由較短的光子平均自由程使得對應370 奈米波長的消光系數增加了11倍，從而得到了96％和100％的綠色和紅色光轉換效率。同時，這種結構也解決了QD在噴墨打印后自聚集影響材料均勻性。

圖12 嵌進QD的多孔納米棒結構

在QD的可靠性方面，Hsu等人透過將QD材料包覆在氯化鈉中，在不影響色彩表現的情況下連續運行了1500小時。而Sun等人透過將QD的配體從油酸替換為，1-十二烷硫醇，加上高導熱性的藍寶石基底，有效減低QD和整體器件的積熱，增加穩定性和使命壽命。

六、【作者簡介】

何志浩教授來自香港城市大學材料科學與工程系。他分別于1999年和2005年從臺灣清華大學獲得學士和博士學位。他曾在臺灣大學和阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）任教。他在半導體和光電子領域具有影響力，曾多次在頂級期刊發表突破性的研究成果，對光子管理、收集等領域有重大貢獻，并將發現應用在發光組件，太陽能電池，光傳感器以及光電合成等領域。

郭浩中教授來自臺灣交通大學光電系。他于1990年在國立臺灣大學獲得物理學學士學位，1995年在羅格斯大學獲得電氣和計算機工程碩士學位，1999年在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校獲得博士學位。他目前的研究興趣包括磷化銦和坤化鎵基的高速垂直腔面發射激光器的外延、設計、制造和測量，以及氮化鎵基的發光設備和納米結構。