丰田合成研究出新的半导体工艺和方法，能够低成本制造Micro-LED显示器

CINNO Research产业资讯，近几年，微型显示器市场出现了大幅增长，这主要得益于虚拟现实头显和电子取景器等应用市场的成长。目前这些市场中应用最多的还是基于有机发光二极管（OLED）技术。不过，随着增强现实智能眼镜等新需求的出现，市场开始需要更高亮度的微型显示器，这也就推动了这些领域对单片式Micro-LED微型显示器件的需求，这种LED显示器件具有超高亮度和出色的耐用性。

对于使用单片式Micro-LED的微型显示器，现有市场已经开始将红、绿、蓝（RGB）单色单片Micro-LED与棱镜相结合的产品方案商业化。不过，相比较而言，基于单个单片式Micro-LED芯片实现全彩色显示，对于降低器件成本和方案小型化来说是非常理想的。

为此，该领域的研究人员，已经提出了很多潜在方法，很多也目前正在开发中。其中一种方法是将蓝色单片式Micro-LED与颜色转换层（如量子点）相结合，这样能个借助颜色转换层将蓝色光转换为绿色或红色，这也是目前最接近商业化的方案。另外一些方法可以在不使用颜色转换材料的情况下，仅使用单一的GaN基材料实现全彩色显示。这些方案包括新型纳米柱结构，在这种结构中，决定所发光颜色的铟（In）元素含量可以通过纳米柱结构的直径和密度的差异来控制。

最近，日本丰田合成报告了他们基于堆叠氮化铟镓（InGaN）层开发全彩色、单片式Micro-LED显示器的进展。研究人员评论道：“他们所提出的基于半导体工艺和方法，未来能够制造低成本、高分辨率的微型Micro-LED显示器。”

尽管研究人员所使用的再生步骤，看起来似乎增加了工艺复杂性和成本，但该团队却认为它在驱动电路的设计层面却带来极大的补偿。按他们的解释，其他不需要再生的方法，将蓝色单片式Micro-LED与量子点材料结合则需要不同于传统半导体工艺的材料和设备，而且通过隧道结堆叠RGB外延层时更是需要复杂的驱动电路。”

实际上，如图1所示，微型显示芯片的材料通常是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备在图案化的蓝宝石上生长出来的。在选择性去除初始MOCVD中生长的材料后，研究人员就可以在再生长步骤中制造出用于单独驱动红、绿和蓝色发光层的p型电极。这之后，进一步的制造过程涉及台面隔离、氧化铟锡（ITO）p电极沉积和隔离、二氧化硅（SiO2）钝化以及n和p金属焊盘沉积。

该团队报告称，在他们之前的微型显示器研发过程中，他们增加了两个额外的干法蚀刻步骤：“去除n-GaN，隔离每一行用于无源矩阵驱动，并去除相邻子像素之间的p型层”。如果没有p电极隔离，这些器件会在相邻子像素间产生非设计串扰发光。

研究人员评论道：“无源矩阵驱动电路中的每一行都会连接到一个公共的阴极上，我们不需要去除同一行内相邻子像素之间的n-GaN来隔离它们，我们只去除了p型层。不过，为了保证无源矩阵驱动电路的正常工作，我们还需要去除不同行之间的n-GaN。”

研究人员最终制造完成的芯片由一个96x96像素阵列组成，其总显示面积为2.88mm×2.88mm。芯片本身的尺寸为3mm×3mm。

如图2所示，在探测实验中，研究小组发现，他们在使用20μA和200μA的驱动电流注入到红、绿和蓝色三种像素中时，这三种子像素的发光波长分别偏移了21nm、23nm和8nm。其中，红色子像素的驱动电压比绿色和蓝色子像素低约0.7V，据研究人员解释，可能是因为红色发光材料的带隙为2.1eV，比蓝色发光材料的2.7eV带隙更小。不过，这里的绿色子像素的驱动压力反常地超过了蓝色子像素，研究人员解释说，“这可能是由于绿色子像素内形成了多色结构”。

基于与常规尺寸LED的比较，这里的红色蓝三色子像素的外量子效率（EQE）的间接估计值分别为0.2%、2%和3%。之所以通过这种方法间接预估，主要是因为研究人员还无法直接通过测量微光发射来进行评估。

研究人员评论道：“由于InGaN红色发射的困难，红色子像素的发光效率比其他两种颜色低了一个数量级，由于本研究中考虑了结构特定的工艺，绿色和蓝色的效率也要比普通的单色Micro-LED低。”

该团队还报告说：“基于这种方案所制造的单片式全彩色Micro-LED显示器的色域覆盖了ITU-R建议BT.2020（BT.2020）的57.6%，如果参考美国国家电视系统委员会（NTSC）的色域标准，那这个比例为69.9%。”

这里的色域比该团队之前的开发的微型显示器件要窄得多，之前实现了95.4%的NTSC覆盖率。对此，研究人员写道：“这种色域覆盖率的减少，主要归因于目前所开发红光Micro-LED所发光的波长有所缩短，而这又是由于红光发射层的质量和高电流注入造成的”，研究人员补充道：“这种限制未来完全可以通过调整红光发射层来解决。”

这些微型显示芯片以无源矩阵的方式驱动连接，制造显示器时，这些发光芯片又连接到了一块包含Teensy 4.1微控制器的驱动电路板上，该微控制器主要用于产生串行数据和时钟信号。外接输入的显示数据线被转换为并行格式，然后通过移位寄存器电路和晶体管阵列驱动各个像素。

最后，如图3所示，该团队使用传统的脉宽调制（PWM）方式渲染显示了一张关于红衣主教四叉鱼的4个灰阶的全彩色图像。可以看出，图像中，该物种的蓝色/红色部分受到了较低红色通道质量的影响。实际上，这可以通过更精确的电流和/或脉冲宽度调整来纠正，以补偿红色子像素较低的效率和性能。另外，在该显示芯片的周边部分还有一些没有发光的区域，这显然是由于芯片到子基板键合过程中键合压力不足造成的。

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