Micro-LED正逐漸成為下一代顯示技術(shù)，其特點是具有高分辨率、高亮度和高響應(yīng)速度，這些特性在光通信、增強現(xiàn)實或虛擬現(xiàn)實以及可穿戴設(shè)備領(lǐng)域至關(guān)重要。美能顯示作為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的顯示技術(shù)檢測公司，一直密切關(guān)注著Micro-LED技術(shù)的發(fā)展，并致力于通過先進(jìn)的檢測手段推動其性能提升和應(yīng)用拓展。

最初，III-V族半導(dǎo)體被提議用于構(gòu)建Micro-LED顯示屏，因為它們具有高發(fā)光效率和穩(wěn)定性。然而，其實際應(yīng)用面臨一些限制。（1）隨著像素尺寸的縮小，效率會下降，這使得像素尺寸的下限約為30μm；（2）由于轉(zhuǎn)移技術(shù)效率不高，其可擴展性也受到限制。

這些挑戰(zhàn)促使人們探索其他材料體系，例如金屬鹵化物鈣鈦礦，他們在高分辨率圖案化和可擴展制造方面具有極大潛力。

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MILLENNIAL DISPLAY

CsPbBr3鈣鈦礦的外延生長

Micro-LED應(yīng)用對材料提出了同時且嚴(yán)格的五項要求：

• 高結(jié)晶度以實現(xiàn)高效的發(fā)光復(fù)合

• 晶體厚度小于微米級，以利于載流子傳輸

• 無晶粒邊界的晶體以避免短路

• 光學(xué)平整度以實現(xiàn)均勻發(fā)光

• 從外延襯底上快速剝離薄膜且損傷最小

以往的外延方法很難同時滿足所有這些要求。

來自中科院/理化所的研究人員實現(xiàn)了鈣鈦礦薄膜的外延生長，使其能夠無縫集成到像素尺寸低至4μm的Micro-LED中。通過利用石墨烯中間層和（0001）取向藍(lán)寶石襯底實現(xiàn)了鈣鈦礦外延生長的方法。

制備工藝示意圖

(左)利用藍(lán)寶石襯底和石墨烯中間層實現(xiàn)鈣鈦礦外延生長的示意圖；

(右)外延薄膜與功能層集成構(gòu)建發(fā)光二極管

外延生長完成后，借助石墨中間層削弱外延層與襯底之間的結(jié)合力，通過簡單快速的釋放過程即可將鈣鈦礦薄膜從襯底上剝離。這種獨立的鈣鈦礦薄膜可無縫集成到Micro-LED器件中。

研究人員采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)實現(xiàn)CsPbBr3鈣鈦礦的外延生長，首先在多個位置于外延襯底上成核，然后橫向生長，最終合并成無晶粒邊界薄膜。熒光顯微鏡圖像顯示了均勻的光致發(fā)光（PL），沒有觀察到晶粒邊界散射。

(左)外延襯底上鈣鈦礦薄膜的照片；(右)熒光顯微鏡拍攝圖像

為了進(jìn)一步展示應(yīng)力弛豫在鈣鈦礦程外延生長中的優(yōu)勢，通過改變鹵化物的化學(xué)計量比來進(jìn)一步調(diào)整鈣鈦礦的成分。

不同成分的鈣鈦礦薄膜圖像和對應(yīng)的熒光顯微鏡圖像

上圖展示了具有不同成分的外延鈣鈦礦薄膜，對應(yīng)的鈣鈦礦帶隙范圍為3.00至1.94 eV。熒光顯微照片顯示所有鈣鈦礦成分的光致發(fā)光分布均勻，無光散射現(xiàn)象，表明成功實現(xiàn)了無晶粒邊界外延薄膜的外延生長。

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MILLENNIAL DISPLAY

超高分辨率微型發(fā)光二極管

受這些高質(zhì)量外延鈣鈦礦薄膜的啟發(fā)，研究人員開始展示其在Micro-LED中的應(yīng)用。將生長在石墨藍(lán)寶石襯底上的CsPbBr3外延層剝離，然后轉(zhuǎn)移到帶有透明電極和空穴傳輸層的LED襯底上。為了構(gòu)建微米級像素，在鈣鈦礦上制作光刻膠圖案以隔離每個像素。這種策略能夠?qū)崿F(xiàn)低于10μm的分辨率，而無需直接對鈣鈦礦進(jìn)行刻蝕，因為刻蝕不可避免地會引入缺陷和表面損傷。

為了評估光刻過程中鈣鈦礦可能受到的損害，對光刻前后的外延薄膜進(jìn)行了TRPL和PLQE測量。原始薄膜和圖案化薄膜的PLQE和光生載流子壽命相當(dāng)，表明在光刻過程中未檢測到損傷。這些結(jié)果歸因于全無機鈣鈦礦的內(nèi)在化學(xué)穩(wěn)定性以及光刻膠和顯影過程中使用的非極性溶劑。

鈣鈦礦薄膜的TRPL和PLQE測量

為評估器件性能，首先制備了具有0.04mm2的外延晶體鈣鈦礦發(fā)光二極管，對應(yīng)像素尺寸為200μm。該LED在亮度為6.0x104cd m-2時的峰值外量子效率(EQE)為16.7%（下圖a），最大亮度為4.0x105cdm-2（下圖b）。對25個器件的EQE和亮度統(tǒng)計顯示，平均值分別為14.1%和1.8x105cd m-2（下圖c）。Micro-LED的運行穩(wěn)定性在200μm像素的器件上進(jìn)行測量。在初始亮度為1,000cd m-2時，半衰期T50，即亮度衰減至初始值50%所需的時間，可達(dá)到9.5小時（下圖d）。

Micro-LED的實際應(yīng)用需要將LED器件與電子背板集成，以實現(xiàn)對每個像素的獨立控制。外延鈣鈦礦薄膜的光電特性和高效轉(zhuǎn)移特性使其能夠與最小像素尺寸為16μm的商業(yè)化LED背板集成。下圖展示了顯示面板的照片和器件結(jié)構(gòu)，其中薄膜晶體管用于獨立控制每個鈣鈦礦像素。

顯示面板的照片和器件結(jié)構(gòu)示意圖

基于轉(zhuǎn)移的外延鈣鈦礦薄膜，構(gòu)建了一個50x50像素的Micro-LED顯示屏。這些Micro-LED陣列用于顯示亮度均勻的靜態(tài)圖像。通過動態(tài)獨立控制每個像素，進(jìn)一步展示了這種Micro-LED器件的視頻顯示能力。

鈣鈦礦Micro-LED顯示的靜態(tài)圖像和視頻截圖

綜上所述，通過鈣鈦礦外延生長技術(shù)，研究人員成功實現(xiàn)了高性能Micro-LED的制備。這種技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)Micro-LED材料在小尺寸像素化和可擴展性方面的限制，還通過高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜實現(xiàn)了高效率、高亮度和高穩(wěn)定性的顯示性能。此外，該技術(shù)還展示了與商業(yè)化電子背板的兼容性，為未來Micro-LED在高端顯示領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

盡管目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著研究的不斷深入，鈣鈦礦Micro-LED有望在未來顯示市場中占據(jù)重要地位，為人們帶來更加卓越的視覺體驗，美能顯示也將憑借其專業(yè)的檢測技術(shù)和豐富經(jīng)驗，為鈣鈦礦Micro-LED技術(shù)的優(yōu)化與質(zhì)量把控提供堅實支持，助力這一新興顯示技術(shù)不斷成熟、走向更廣闊的市場。原文出處：《Remote epitaxial crystalline perovskites forultrahigh-resolution micro-LED displays》

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