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2023年剛剛過去一個月，Jeehwan Kim團隊已經發(fā)表兩篇Nature了，一篇是1月18日，另一篇是2月1日。

Micro-LEDs(μLEDs)已被用于增強和虛擬現(xiàn)實顯示應用，這些應用需要極高的每英寸像素和亮度。

然而，基于紅、綠、藍(RGB) μLEDs橫向組裝的傳統(tǒng)制造工藝，在提高像素密度方面存在局限性。最近垂直μLEDs顯示器的演示，試圖通過堆疊獨立的RGB LED膜和自頂向下制造來解決這個問題，但最小化堆疊μLEDs的橫向尺寸一直很困難。

在此，來自美國弗吉尼亞大學的Kyusang Lee & 韓國首爾世宗大學的Young Joon Hong&美國佐治亞理工學院的Abdallah Ougazzaden&美國麻省理工學院的Kwanghun Chung和Jeehwan Kim等研究者實現(xiàn)了據(jù)目前所知、迄今為止報道的最高陣列密度(5100像素/英寸)和最小尺寸(4 μm)的全彩色垂直堆疊μLEDs。相關論文以題為“Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer”于2023年02月01日發(fā)表在Nature上。

微型發(fā)光二極管(μLEDs)，由于其尺寸小和亮度高，被認為是增強和虛擬現(xiàn)實(AR/VR)顯示器的理想組成部分，這對于近眼和/或戶外應用至關重要。然而，通過傳統(tǒng)的傳質過程實現(xiàn)全彩μLEDs顯示器，一直具有挑戰(zhàn)性。

這些工藝，需要從各自的外延晶片中提取紅、綠、藍(RGB)μLEDs芯片——例如，紅色為GaAs，綠色和藍色LED為藍寶石——然后連續(xù)精確傳輸R-、G-和B-LED芯片，用于RGB像素的橫向組裝。盡管在分辨率、良率和吞吐量方面有了巨大的改進，但這些方法，尚未產生足夠高像素密度的μLEDs顯示器。

為了解決這些問題，許多研究人員通過獨立RGB LED膜的單片集成以及自上而下的制造，開發(fā)了具有垂直對齊RGB子像素的μLEDs顯示器。然而，用于生產獨立式LEDs的傳統(tǒng)外延提升技術，可能不足以構建AR/VR顯示器所需的10微米以下像素。

具體來說，基于氮化銦鎵(InGaN)的LEDs的傳統(tǒng)異質外延和激光剝離工藝，分別需要在有源層下添加厚厚的緩沖層，以最大限度地減少晶格錯配引起的位錯和防止激光引起的損傷。

因此，這些LED薄膜的厚度為5-10微米，這使得制造亞10微米垂直μLEDs不切實際，因為高縱橫比阻礙了高分辨率光刻。緩慢的釋放速度和昂貴晶圓的有限重復使用，為制造商帶來了額外的擔憂。因此，迫切需要一種能夠產生超薄、易于釋放和低成本的獨立式LED膜的起飛技術，以進一步推進垂直μLEDs微顯示技術。

在此，研究者展示了據(jù)目前所知和迄今為止報道的最小尺寸(4微米)和最高陣列密度(5100像素/英寸(PPI)的全彩垂直堆疊μLEDs。

這是通過基于二維材料的層轉移(2DLT)技術實現(xiàn)的，該技術允許(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片上外延；(2)從2D材料中機械釋放LED層并隨后重復使用基片；(3)通過使用粘合劑聚合物層進行堆疊；(4)自上而下制造以產生垂直RGB μLEDs。研究者的垂直μ LED實現(xiàn)了約9 μ m的總厚度，這使得μLED陣列的制造具有創(chuàng)紀錄的高密度。

從2D材料中快速精確地機械釋放LEDs，允許高通量生產μLEDs，晶圓的可重用性降低了材料成本。研究者還開發(fā)了波長選擇性聚酰亞胺(PI)吸收器(約1.6 μm)，既可作為膠粘劑中間層，也可作為光學濾光片，防止LED膜之間的干擾，并無需加入額外的光學元件。

研究者展示了一個像素間距為14 μm(大約1800 PPI)的小型μLEDs顯示器，由藍色μLEDs垂直集成硅薄膜晶體管(TFTs)組成，用于有源矩陣操作。最后，研究者通過在2D材料上制備的高分辨率、選擇性質量傳遞的μLEDs，展示了2DLT在大規(guī)模μLEDs顯示屏構建中的實用價值。

圖1. 由2DLT支持的垂直堆疊全彩μLEDs

圖2. 通過2DLT生產超薄RGB LED膜

圖3. 通過波長特定的、基于PI的吸收器預防PL

圖4. 啟用2DLT的全彩垂直超小μLEDs

綜上所述，研究者展示了超薄單晶RGB LED薄膜的二維材料外延、層轉移和異構集成策略，用于構建垂直堆疊的全彩LED陣列，具有創(chuàng)紀錄的高器件密度。研究者還展示了一種基于藍色μLEDs垂直集成Si TFTs的有源矩陣顯示器，以及一種基于2DLT的傳質過程，可以將垂直μLEDs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的基于遠程外延的藍色和綠色LED，具有更高透明度的透明導電氧化物和分布式布拉格反射器，結合無色粘附層，可以消除向下LED發(fā)射的損失，垂直μLEDs的性能可以進一步提高。

本文介紹的材料、器件架構和制造工藝，有潛力幫助實現(xiàn)全彩、基于μLEDs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)。

作者簡介

Jeehwan Kim教授是麻省理工學院機械工程和材料科學與工程副教授。他的研究范圍從基礎材料物理/力學到電子/光子器件和下一代電子系統(tǒng)。

金教授是麻省理工學院電子研究實驗室的首席研究員。他的團隊專注于為下一代計算和電子技術提供納米技術創(chuàng)新。在2015年加入麻省理工學院之前，自2008年以來，他是IBM T.J. Watson研究中心(Yorktown Heights, NY)的研究人員。他的許多專利已經獲得商業(yè)化許可。金教授曾獲20項IBM高價值發(fā)明成就獎。2012年，他被IBM任命為“發(fā)明大師”，以表彰他積極創(chuàng)造知識產權和將研究成果商業(yè)化。他是DARPA青年教員獎的獲得者。他是200項已發(fā)布/未決美國專利的發(fā)明人，在同行評審期刊上發(fā)表了50篇文章。他在弘益大學獲得學士學位，在首爾國立大學獲得碩士學位，并于2008年在加州大學洛杉磯分校獲得博士學位，所有這些學位都是材料科學。

文獻信息

Shin, J., Kim, H., Sundaram, S.?et al.?Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer.?Nature?614, 81–87 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05612-1

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05612-1

http://jeehwanlab.mit.edu/

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