《Nature》麻省理工學(xué)院研究垂直堆疊LED，用于高分辨率數(shù)字屏幕？

來源：DT半導(dǎo)體 

據(jù)悉，麻省理工學(xué)院研究人員通過垂直全彩微型LED通過基于二維材料的層傳輸相關(guān)研究發(fā)表在《Nature》上。
微型LEDs(μLEDs)已被用于增強和虛擬現(xiàn)實顯示應(yīng)用，這些應(yīng)用需要極高的每英寸像素和亮度。本文中介紹了迄今為止報道的最高陣列密度(5100像素/英寸)和最小尺寸(4微米)的全彩色垂直堆疊μ LED。這是通過基于二維材料的層轉(zhuǎn)移技術(shù)實現(xiàn)的，該技術(shù)允許在二維材料涂層基片上通過遠程或范德華外延、機械釋放和疊加LED來生長近亞微米厚度的RGB LED，然后進行自上而下的制造。還演示了藍色μLED與硅膜晶體管的垂直集成，用于有源矩陣操作。這些結(jié)果為創(chuàng)建用于增強和虛擬現(xiàn)實的全彩微LED顯示器奠定了基礎(chǔ)，同時也為更廣泛的三維集成設(shè)備類別提供了一個可推廣的平臺。
直立位置:垂直像素。麻省理工學(xué)院沒有將紅、綠、藍三色二極管并排排列，而是將這些二極管堆疊起來，形成垂直的彩色像素。麻省理工學(xué)院的研究發(fā)明將紅、綠、藍發(fā)光二極管堆疊成垂直像素的方法，而不是將它們并排放置在水平網(wǎng)格中。根據(jù)研究團隊的說法，每個堆疊的像素都可以生成完整的顏色范圍。圖1a顯示了垂直堆疊的μLED的總體架構(gòu)。研究人員在石墨烯涂層的GaAs晶片上遠程外延ALGAAS基紅色LED，并在HBN涂層的藍寶石襯底上進行INGAN基綠色和藍色LED的范德華外延，產(chǎn)生了厚度為1-2微米的單晶RGB LED層。通過2DLT工藝從底物中釋放。釋放的LED膜使用PI吸收器鍵合層按帶隙能量的升序堆疊，以最大限度地減少向上方向的光吸收。在轉(zhuǎn)移膜上制備的μLED由透明導(dǎo)電電極(TCEs)、臺面結(jié)構(gòu)、側(cè)壁封裝層(約300 nm)和濺射接觸金屬組成。
圖1:垂直堆疊，由2DLT啟用的全彩μLED。a，垂直μLED像素的示意圖，由RGBμLED和綠色和藍色光吸收PI夾層組成。微LED由微LED臺面結(jié)構(gòu)、Ni/Au TCE、PI側(cè)壁封裝層和Ti/Au金屬電極組成。b，三個垂直μ LED像素并排的光學(xué)顯微鏡圖像。插圖，設(shè)備在p接觸層(上)，臺面(中)和n接觸層區(qū)域(下)的截面掃描電鏡圖像。c, b中垂直μLED器件在黑暗中****三種不同顏色的EL圖像。d，峰值波長分別為665、535和463 nm的RGB μLED的歸一化EL光譜。麻省理工學(xué)院的Jeehwan Kim說:“這是期刊上報道的最小的微型LED像素和最高的像素密度?！薄把芯咳藛T的研究表明，垂直像素化是在更小的占地面積上實現(xiàn)更高分辨率顯示器的方法?！贝怪倍询B的像素對于創(chuàng)造沉浸式視覺體驗具有非常高的應(yīng)用價值。麻省理工學(xué)院的Jiho Shin說:“在傳統(tǒng)顯示器中，每個R、G和B像素都是橫向排列的，這限制了每個像素的大小。”“而研究人員將三個像素垂直堆疊，理論上研究人員可以將像素面積減少三分之一。”
圖2:通過2DLT生產(chǎn)的超薄RGB LED薄膜。a -c，生長在石墨烯涂層GaAs晶片上的ALGAAS基紅色LED (a)和生長在HBN涂層藍寶石襯底上的INGAN基綠色(b)和藍色(c) LED的外延結(jié)構(gòu)示意圖。d - f，紅色(d)，綠色(e)和藍色(f) LED的STEM橫截面圖像。g -i, TRT上2英寸晶圓片大小的獨立紅色(g)，綠色(h)和藍色(i) LED薄膜的照片。紅色(j)、綠色(k)和藍色(l)μLED分別在外延片上(片上，黑色)、層轉(zhuǎn)移后Si晶圓上(非堆疊(non-stk)，紅色)和垂直堆疊后Si晶圓上(堆疊，藍色)的I-V曲線j - l。m - o，在不同注入電流水平下，在Si襯底上制備的紅(m)、綠(n)和藍(o)μLED獲得的歸一化EL光譜。p，去除殘留HBN層后使用藍寶石襯底的AFM形貌圖像。q,r, EBSD圖(q)和XRD Φ掃描數(shù)據(jù)(r)從重復(fù)使用的藍寶石襯底上生長的藍色LED獲得。s，從生長在原始(紅色)和重復(fù)使用(藍色)藍寶石襯底上的藍色LED器件獲得的I-V曲線。該研究的制造技術(shù)建立在麻省理工學(xué)院之前的研究基礎(chǔ)上，該研究旨在從硅晶片和其他表面上生長和剝離完美的二維單晶材料，這種方法被稱為基于二維材料的層轉(zhuǎn)移(2DLT)。基于二維材料的層轉(zhuǎn)移(2DLT)技術(shù)，該技術(shù)允許(1)超薄RGB LED(厚度:1 - 2微米)通過遠程外延或范德華外延在二維材料涂層基材上外延，(2)從2D材料中機械釋放LED層并隨后重用基材，(3)通過使用粘合劑聚合物層進行堆疊，(4)自上而下制造以產(chǎn)生垂直RGBμLED。研究人員的垂直μ LED實現(xiàn)了約9 μ m的總厚度，這使得μ LED陣列的制造具有創(chuàng)紀(jì)錄的高密度。從2D材料中快速精確地機械釋放LED，允許高通量生產(chǎn)μLED，晶圓的可重用性降低了材料成本。研究人員還開發(fā)了波長選擇性聚酰亞胺(PI)吸收器(約1.6 μ m)，既可作為膠粘劑中間層，也可作為光學(xué)濾光片，防止LED膜之間的干擾，并無需加入額外的光學(xué)元件。研究人員展示了一個像素間距為14μm(大約1800 PPI)的小型μLED顯示器，由藍色μLED垂直集成硅薄膜晶體管(TFTs)組成，用于有源矩陣操作。最后，研究人員通過在2D材料上制備的高分辨率、選擇性質(zhì)量傳遞的μLED，展示了2DLT在大規(guī)模μLED顯示屏構(gòu)建中的實用價值。
圖3:通過波長特定的、基于PI的吸收器防止PL。a，藍光和綠光吸收層的光學(xué)傳輸光譜，防止由于LED層之間的串?dāng)_而導(dǎo)致的顏色調(diào)制。b，分別涂有(有ABS.)或沒有(沒有ABS.)吸收層的藍色(左)和綠色(右)μ LED的原理圖和歸一化EL光譜。插圖，吸收劑涂層的μ LED的EL光譜放大圖。c，一個轉(zhuǎn)移的非堆疊藍色μLED(非堆疊，黑色)的示意圖(左)和記錄的EL光譜(右)，一個通過PI膠粘劑層集成在綠色μLED上的藍色μLED(無ABS，紅色)和一個通過藍色吸收層集成在綠色μLED上的藍色μLED(有ABS，藍色)。誤差條代表至少三次測量的S.D.。
圖4:啟用2DLT的全彩垂直超微微米LED。a，垂直μLED的EL顯微鏡圖像，通過混合RGB顏色照亮紅、綠、藍、黃、橙、青、粉、紫和白光。b，垂直μ LED發(fā)出的紫色、黃色和青色光的代表EL光譜。c，垂直μLED****白光的代表EL光譜。d, CIE 1931顏色空間中垂直μLED(實線和圓)的色度，與sRGB(虛線和三角形)和DCI-P3(虛線和正方形)色域一起繪制。c中白色EL的位置由坐標(biāo)(0.314,0.341)處的白色圓圈表示。e，用于近眼顯示應(yīng)用的垂直μ LED陣列的光學(xué)和EL顯微鏡圖像，有七種不同的尺寸(PPI 1000 - 5100)。總之，研究人員展示了基于二維材料的外延、層轉(zhuǎn)移和超薄單晶RGB LED薄膜的異構(gòu)集成策略，用于構(gòu)建垂直堆疊的全彩LED陣列，具有創(chuàng)紀(jì)錄的高器件密度。研究人員還展示了一種基于藍色μLED垂直集成Si TFTs的有源矩陣顯示器，以及一種基于2DLT的傳質(zhì)過程，可以將垂直μ LED的效用擴展到大規(guī)模顯示器。通過開發(fā)具有增強材料和器件特性基于遠程外延的藍色和綠色LED，具有更高透明度的透明導(dǎo)電氧化物和分布式布拉格反射器，結(jié)合無色粘附層，可以消除向下LED****的損失，垂直μLED的性能可以進一步提高。本文介紹的材料、器件架構(gòu)和制造工藝有潛力幫助實現(xiàn)全彩、基于μLED的AR/VR微顯示器、電視和智能手機顯示器，以及廣泛的三維集成光子、電子和光電子系統(tǒng)。文章來源：
https://optics.org/news/14/2/1/mit_feb23https://www.nature.com/articles/s41586-022-05612-1#Sec1

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