Nature：基于二维材料层转移的垂直全彩微型LED

摘要

摘要图
本文提出了一种基于二维材料层转移技术的垂直堆叠全彩微型LED（µLED）新方法，该方法实现了至今最高的阵列密度（5100像素/英寸）和最小的像素尺寸（4 µm）。通过在二维材料涂层衬底上使用远程外延或范德华外延技术，生成超薄RGB LED，并利用机械剥离和粘合聚合物堆叠实现了9 µm的最小堆叠高度。研究还展示了µLED与硅膜晶体管的垂直集成操作，验证了其在增强现实和虚拟现实显示器中具有广阔的应用前景，同时为三维集成光电器件提供了新平台。

关键词

  • 微型LED (Micro-LEDs)
  • 二维材料 (2D Materials)
  • 层转移技术 (Layer Transfer Technology)
  • 全彩显示 (Full-Colour Display)
  • 垂直堆叠 (Vertical Stacking)
  • 虚拟现实 (Virtual Reality, VR)
  • 增强现实 (Augmented Reality, AR)

研究背景

微型LED因其小尺寸和高亮度，被认为是增强现实（AR）和虚拟现实（VR）显示器的理想组件。然而，传统的横向组装方法难以满足高像素密度需求，垂直堆叠RGB亚像素的方法成为一个重要方向。本研究通过二维材料的层转移技术，解决了传统方法在厚度控制、光干扰和制造成本等方面的瓶颈，成功实现了高密度全彩垂直微型LED阵列的制备，为新型显示技术的发展提供了有力支持。

创新点

  • 实现了最高密度（5100 PPI）和最小尺寸（4 µm）的全彩微型LED阵列。
  • 提出了基于二维材料的层转移技术，实现了RGB LED的超薄化和高效堆叠。
  • 开发了基于波长选择性聚酰亚胺吸收层的干扰抑制技术。

研究内容

本研究采用二维材料涂层衬底，结合远程外延和范德华外延技术，生成了1-2 µm厚的单晶RGB LED膜。通过机械剥离技术，这些超薄LED膜被释放并重新利用，在升序带隙排列的粘合层上实现了高效堆叠。研究还开发了波长选择性吸收层，用于抑制LED膜间的光学干扰，简化了堆叠过程中对额外光学元件的需求。实验验证了垂直RGB µLED在暗环境中的发光特性，获得了色纯度高达94.1%的RGB光谱。此外，通过与硅薄膜晶体管的垂直集成，成功构建了用于AR/VR显示器的1,800 PPI蓝色µLED主动矩阵显示器。

图1
图 1 | 通过 2DLT 实现的垂直堆叠全彩色 µLED。

(a) 垂直 µLED 像素的分解示意图，包含 RGB µLED 和吸收绿色与蓝色光的 PI 中间层。插图为 µLED 的分解结构示意图，包括 µLED 台面结构、Ni/Au 透明导电电极 (TCE)、PI 侧壁封装层和 Ti/Au 金属电极。
(b) 三个垂直 µLED 像素并排排列的光学显微镜图像。插图为跨 p 接触层（顶部）、台面（中间）和 n 接触层区域（底部）的器件截面 SEM 图像。
(c) 垂直 µLED 器件的电致发光 (EL) 图像，显示在黑暗中发射的三种不同颜色。
(d) RGB µLED 的归一化 EL 光谱，其峰值波长分别为 665 nm、535 nm 和 463 nm。

图2
图 2 | 通过 2DLT 制备的超薄 RGB LED 膜。

(a–c) 生长在石墨烯涂覆 GaAs 晶片上的基于 AlGaAs 的红光 LED (a) 以及生长在 hBN 涂覆蓝宝石基底上的基于 InGaN 的绿光 (b) 和蓝光 (c) LED 的外延结构示意图。
(d–f) 红光 (d)、绿光 (e) 和蓝光 (f) LED 的截面 STEM 图像。
(g–i) 2 英寸晶圆大小的红光 (g)、绿光 (h) 和蓝光 (i) LED 自由膜在 TRT 上的照片。
(j–l) 在各自外延晶片上制造的红光 (j)、绿光 (k) 和蓝光 (l) µLED 的 I–V 曲线（黑色）、在硅晶片上经层转移后的 µLED（非堆叠，红色）及垂直堆叠 µLED（蓝色）。
(m–o) 在不同注入电流下，转移的 RGB µLED 的归一化 EL 光谱。
(p) 移除残留 hBN 层后使用的蓝宝石基底的 AFM 形貌图像。
(q, r) 在重复利用的蓝宝石基底上生长的蓝光 LED 的 EBSD 映射 (q) 和 XRD Φ 扫描数据 (r)。
(s) 在全新（红色）和重复利用（蓝色）蓝宝石基底上生长的蓝光 LED 器件的 I–V 曲线。

图3
图 3 | 通过基于波长选择的 PI 吸收层防止 PL。

(a) 蓝光和绿光吸收层的光学透射光谱，这些吸收层可防止 LED 层间的串扰引起的颜色调制。
(b) 蓝光（左）和绿光（右）µLED 的示意图及其带有（“with abs.”）或不带有（“no abs.”）吸收层时的归一化 EL 光谱。插图为吸收层涂覆 µLED 的 EL 光谱放大图。
(c) 示意图（左）及 EL 光谱（右），显示了转移的、非堆叠的蓝光 µLED（非堆叠，黑色），通过 PI 粘合层集成在绿色 µLED 上的蓝光 µLED（无吸收层，红色）及通过蓝光吸收层集成在绿色 µLED 上的蓝光 µLED（带吸收层，蓝色）。误差条表示至少三次测量的标准差。

图4
图 4 | 通过 2DLT 实现的全彩色垂直超小型 µLED。

(a) 垂直 µLED 的 EL 显微图像，显示通过 RGB 颜色混合发出的红、绿、蓝、黄、橙、青、粉、紫和白光。
(b) 垂直 µLED 发出的紫色、黄色和青色光的典型 EL 光谱。
(c) 垂直 µLED 发出的白光的典型 EL 光谱。
(d) 在 CIE 1931 色度空间中绘制的垂直 µLED 的色度（实线和圆形），以及 sRGB（虚线和三角形）和 DCI-P3（虚线和方形）颜色空间。图 (c) 中的白光 EL 位置用坐标 (0.314, 0.341) 处的白色圆圈表示。
(e) 用于近眼显示应用的垂直 µLED 阵列的光学和 EL 显微图像，具有七种不同尺寸（PPI 1,000–5,100）。

结论与展望

研究通过二维材料层转移技术，成功实现了垂直堆叠的全彩微型LED阵列，为高密度显示器和三维集成光电器件的研发提供了新的解决方案。未来可进一步优化远程外延技术，提高器件透明性，并结合布拉格反射器和无色粘合层，推动LED发光效率的提升。

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原文标题：Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer

Nature, 2023, 614, 81–87.

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