北京讯近日，清华大学电子工程系盛兴研究组开发了一种基于叠层式红、绿、蓝三色（RGB）微型发光二极管（micro-LED）的器件阵列设计，可用于全彩色照明和显示。该研究通过探索外延剥离和转移印刷技术，实现了基于不同单晶III-V族半导体的薄膜micro-LED在垂直方向上的异质集成。同时，通过设计具有波长选择透过的光学薄膜作为micro-LED之间的界面层，提高了器件的发光效率和辐射性能。这种新颖的策略能够实现可见光全覆盖的可独立寻址控制的动态图案化显示，为下一代新型显示系统提供新的途径。
图1. 堆叠RGB micro-LED阵列的概念图
随着智能可穿戴设备、增强现实和虚拟现实等新兴科技的兴起，高端显示技术已成为市场的迫切需求。相比于基于液晶和有机LED器件的显示技术，基于无机半导体材料的micro-LED显示具有亮度高、寿命长、能耗低、响应速度快等特点，是下一代新型显示技术的有力竞争者。然而，无机micro-LED显示技术仍然面临包括巨量器件集成在内的诸多关键技术难题，此外，micro-LED尺寸的减小也会带来器件性能恶化和制造难度增加等问题。
图2.堆叠RGB micro-LED阵列的示意图和实物图
本工作提出了一种叠层RGB micro-LED结构，与传统并排放置的RGB器件结构相比，在同等器件尺寸下，叠层结构比并排结构可将显示分辨率提升三倍，不仅提高了器件的发光性能，也降低了制备过程中对加工精度的要求。基于外延剥离和转移印刷的方法，将基于不同无机III-V族单晶半导体结构的薄膜式micro-LED，包括铟镓磷基（InGaP）红光LED、铟镓氮基（InGaN）绿光和蓝光LED（尺寸~100μm2，厚度~5μm）异质集成，形成垂直堆叠结构。此外，该设计还在堆叠结构中嵌入了一个具有波长选择性反射的薄膜界面层，以提升器件的光输出效率。结合成熟的平面化工艺，制作为可独立寻址控制的有源发光阵列，实现可见光波段全覆盖的多色显示。
图3.堆叠RGB micro-LED器件的发光照片和电致发光性能
图案化可动态调控的叠层RGB micro-LED显示阵列证明了垂直堆叠结构设计的可行性，这些阵列带有独立的电接触电极，用于LED的可独立控制。该叠层设计策略有望扩展到大规模显示阵列，也可被用来探索其在生物医学等其他领域的应用。
图4.用于显示的图案化RGB micro-LED阵列
该成果近期发表于《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences USA），题为“面向全色显示的叠层微型LED阵列”（Transfer-printed, tandem microscale light-emitting diodes for full-color display）。论文的通讯作者为清华大学电子系副教授盛兴，第一作者为电子系博士生李丽珠，合作者来自于清华电子系、化学系、材料学院，成都辰显光电公司，中科院苏州纳米技术与仿生研究所等单位。本工作获得了国家自然科学基金、清华大学未来芯片技术高精尖创新中心、北京信息科学与技术国家研究中心等项目支持。
