《Nature》麻省理工学院研究垂直堆叠LED，用于高分辨率数字屏幕？

据悉，麻省理工学院研究人员通过垂直全彩微型LED通过基于二维材料的层传输相关研究发表在《Nature》上。

微型LEDs(µLEDs)已被用于增强和虚拟现实显示应用，这些应用需要极高的每英寸像素和亮度。本文中介绍了迄今为止报道的最高阵列密度(5100像素/英寸)和最小尺寸(4微米)的全彩色垂直堆叠μ LED。这是通过基于二维材料的层转移技术实现的，该技术允许在二维材料涂层基片上通过远程或范德华外延、机械释放和叠加LED来生长近亚微米厚度的RGB LED，然后进行自上而下的制造。还演示了蓝色μLED与硅膜晶体管的垂直集成，用于有源矩阵操作。这些结果为创建用于增强和虚拟现实的全彩微LED显示器奠定了基础，同时也为更广泛的三维集成设备类别提供了一个可推广的平台。

直立位置:垂直像素。麻省理工学院没有将红、绿、蓝三色二极管并排排列，而是将这些二极管堆叠起来，形成垂直的彩色像素。

麻省理工学院的研究发明将红、绿、蓝发光二极管堆叠成垂直像素的方法，而不是将它们并排放置在水平网格中。根据研究团队的说法，每个堆叠的像素都可以生成完整的颜色范围。

图1a显示了垂直堆叠的µLED的总体架构。研究人员在石墨烯涂层的GaAs晶片上远程外延ALGAAS基红色LED，并在HBN涂层的蓝宝石衬底上进行INGAN基绿色和蓝色LED的范德华外延，产生了厚度为1-2微米的单晶RGB LED层。通过2DLT工艺从底物中释放。释放的LED膜使用PI吸收器键合层按带隙能量的升序堆叠，以最大限度地减少向上方向的光吸收。在转移膜上制备的μLED由透明导电电极(TCEs)、台面结构、侧壁封装层(约300 nm)和溅射接触金属组成。

图1:垂直堆叠，由2DLT启用的全彩μLED。a，垂直μLED像素的示意图，由RGBμLED和绿色和蓝色光吸收PI夹层组成。微LED由微LED台面结构、Ni/Au TCE、PI侧壁封装层和Ti/Au金属电极组成。b，三个垂直μ LED像素并排的光学显微镜图像。插图，设备在p接触层(上)，台面(中)和n接触层区域(下)的截面扫描电镜图像。c, b中垂直μLED器件在黑暗中发射三种不同颜色的EL图像。d，峰值波长分别为665、535和463 nm的RGB μLED的归一化EL光谱。

麻省理工学院的Jeehwan Kim说:“这是期刊上报道的最小的微型LED像素和最高的像素密度。”“研究人员的研究表明，垂直像素化是在更小的占地面积上实现更高分辨率显示器的方法。”垂直堆叠的像素对于创造沉浸式视觉体验具有非常高的应用价值。

麻省理工学院的Jiho Shin说:“在传统显示器中，每个R、G和B像素都是横向排列的，这限制了每个像素的大小。”“而研究人员将三个像素垂直堆叠，理论上研究人员可以将像素面积减少三分之一。”

图2:通过2DLT生产的超薄RGB LED薄膜。a -c，生长在石墨烯涂层GaAs晶片上的ALGAAS基红色LED (a)和生长在HBN涂层蓝宝石衬底上的INGAN基绿色(b)和蓝色(c) LED的外延结构示意图。d - f，红色(d)，绿色(e)和蓝色(f) LED的STEM横截面图像。g -i, TRT上2英寸晶圆片大小的独立红色(g)，绿色(h)和蓝色(i) LED薄膜的照片。红色(j)、绿色(k)和蓝色(l)μLED分别在外延片上(片上，黑色)、层转移后Si晶圆上(非堆叠(non-stk)，红色)和垂直堆叠后Si晶圆上(堆叠，蓝色)的I-V曲线j - l。m - o，在不同注入电流水平下，在Si衬底上制备的红(m)、绿(n)和蓝(o)μLED获得的归一化EL光谱。p，去除残留HBN层后使用蓝宝石衬底的AFM形貌图像。q,r, EBSD图(q)和XRD Φ扫描数据(r)从重复使用的蓝宝石衬底上生长的蓝色LED获得。s，从生长在原始(红色)和重复使用(蓝色)蓝宝石衬底上的蓝色LED器件获得的I-V曲线。

该研究的制造技术建立在麻省理工学院之前的研究基础上，该研究旨在从硅晶片和其他表面上生长和剥离完美的二维单晶材料，这种方法被称为基于二维材料的层转移(2DLT)。

基于二维材料的层转移(2DLT)技术，该技术允许(1)超薄RGB LED(厚度:1 - 2微米)通过远程外延或范德华外延在二维材料涂层基材上外延，(2)从2D材料中机械释放LED层并随后重用基材，(3)通过使用粘合剂聚合物层进行堆叠，(4)自上而下制造以产生垂直RGBµLED。研究人员的垂直μ LED实现了约9 μ m的总厚度，这使得μ LED阵列的制造具有创纪录的高密度。从2D材料中快速精确地机械释放LED，允许高通量生产µLED，晶圆的可重用性降低了材料成本。研究人员还开发了波长选择性聚酰亚胺(PI)吸收器(约1.6 μ m)，既可作为胶粘剂中间层，也可作为光学滤光片，防止LED膜之间的干扰，并无需加入额外的光学元件。研究人员展示了一个像素间距为14µm(大约1800 PPI)的小型µLED显示器，由蓝色µLED垂直集成硅薄膜晶体管(TFTs)组成，用于有源矩阵操作。最后，研究人员通过在2D材料上制备的高分辨率、选择性质量传递的µLED，展示了2DLT在大规模µLED显示屏构建中的实用价值。

图3:通过波长特定的、基于PI的吸收器防止PL。a，蓝光和绿光吸收层的光学传输光谱，防止由于LED层之间的串扰而导致的颜色调制。b，分别涂有(有ABS.)或没有(没有ABS.)吸收层的蓝色(左)和绿色(右)μ LED的原理图和归一化EL光谱。插图，吸收剂涂层的μ LED的EL光谱放大图。c，一个转移的非堆叠蓝色µLED(非堆叠，黑色)的示意图(左)和记录的EL光谱(右)，一个通过PI胶粘剂层集成在绿色µLED上的蓝色µLED(无ABS，红色)和一个通过蓝色吸收层集成在绿色µLED上的蓝色µLED(有ABS，蓝色)。误差条代表至少三次测量的S.D.。

图4:启用2DLT的全彩垂直超微微米LED。a，垂直μLED的EL显微镜图像，通过混合RGB颜色照亮红、绿、蓝、黄、橙、青、粉、紫和白光。b，垂直μ LED发出的紫色、黄色和青色光的代表EL光谱。c，垂直μLED发射白光的代表EL光谱。d, CIE 1931颜色空间中垂直μLED(实线和圆)的色度，与sRGB(虚线和三角形)和DCI-P3(虚线和正方形)色域一起绘制。c中白色EL的位置由坐标(0.314,0.341)处的白色圆圈表示。e，用于近眼显示应用的垂直μ LED阵列的光学和EL显微镜图像，有七种不同的尺寸(PPI 1000 - 5100)。

总之，研究人员展示了基于二维材料的外延、层转移和超薄单晶RGB LED薄膜的异构集成策略，用于构建垂直堆叠的全彩LED阵列，具有创纪录的高器件密度。研究人员还展示了一种基于蓝色μLED垂直集成Si TFTs的有源矩阵显示器，以及一种基于2DLT的传质过程，可以将垂直μ LED的效用扩展到大规模显示器。通过开发具有增强材料和器件特性基于远程外延的蓝色和绿色LED，具有更高透明度的透明导电氧化物和分布式布拉格反射器，结合无色粘附层，可以消除向下LED发射的损失，垂直μLED的性能可以进一步提高。本文介绍的材料、器件架构和制造工艺有潜力帮助实现全彩、基于μLED的AR/VR微显示器、电视和智能手机显示器，以及广泛的三维集成光子、电子和光电子系统。

文章来源：

https://optics.org/news/14/2/1/mit_feb23

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05612-1#Sec1