《Displays》：Process optimization of full color display pixels fabricated by integration of Micro-LEDs and OLEDs
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本研究提出一種創新的混合顯示架構，將GaN基藍Micro-LED陣列與紅綠OLED直接集成，避免了RGB異質集成的復雜轉移過程和量子點轉換的穩定性問題。通過光刻、高精度對準、KOH濕法刻蝕處理和ITO厚度優化，實現了藍Micro-LED的亮度和色域顯著提升，在4.5V驅動下達到4.86×10? cd/m2，紅綠OLED在5V時分別為26和87 cd/m2，sRGB色域覆蓋達90.89%。
作者：賈偉元、劉勝成、周一堅、方傲琪、李金、閆志兵、王帥帥、楊天熙、孫杰、嚴群
單位：福州大學物理與信息工程學院平板顯示技術國家與地方聯合工程實驗室，中國福州350100
摘要
在微發光二極管（Micro-LED）全彩顯示技術中，有兩種主流解決方案：紅-綠-藍（RGB）異質集成和微LED激發的量子點（QDs）用于顏色轉換。然而，這些方案面臨核心挑戰：RGB芯片的高成本轉移以及量子點在顏色轉換方案中的穩定性不足。與此同時，傳統的有機發光二極管（OLED）全彩顯示技術長期以來受到藍色OLED性能不佳的限制，具體表現為亮度低和壽命短，這嚴重限制了顯示質量的提升。為了解決現有技術的這些瓶頸，本研究提出了一種創新的混合架構。該架構將基于GaN的藍色Micro-LED陣列與紅色和綠色OLED集成在一起，消除了轉移紅色和綠色Micro-LED的需求。通過光刻和高精度對準工藝，實現了無源矩陣藍色Micro-LED（70×20 μm2）和紅色/綠色OLED（70×90 μm2）的單片集成。此外，還應用了KOH處理工藝和ITO厚度調整來進一步提升器件性能。在最佳條件下，藍色Micro-LED的相對電致發光（EL）強度提高了59.8%，亮度提高了92.5%。在4.5 V驅動電壓下，藍色Micro-LED的亮度達到4.86×10? cd/m2；而在5 V驅動電壓下，紅色和綠色OLED的亮度分別為26 cd/m2和87 cd/m2。開啟電壓偏差小于0.3 V，標準紅綠藍（sRGB）色域覆蓋率達到90.89%。
引言
微發光二極管（Micro-LED）技術因其超高亮度、納秒級響應速度和極長的使用壽命而被廣泛認為是下一代顯示技術的戰略方向，尤其在增強現實、虛擬現實和汽車顯示應用中具有變革潛力[1][2]。然而，這項技術的工業化面臨一個根本性挑戰：實現高效、低成本的全彩集成。當前主流的技術路線——質量轉移和顏色轉換方案都存在顯著的限制。
質量轉移RGB三色芯片方案的局限性不僅源于其極其復雜的工藝步驟，還在于對轉移產量的嚴格要求。該工藝涉及將基于AlGaInP的紅色、基于InGaN的綠色和基于GaN的藍色Micro-LED芯片（典型尺寸<100 μm）從原始基板逐步轉移到驅動背板上。具體工作流程包括：利用激光輔助剝離（LLO）分離外延層，通過聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性印章進行薄膜轉移，并以亞微米精度進行芯片鍵合[3][4]。由于R/G/B芯片生長在不同的基板上，必須進行三次大規模轉移操作。然后需要將紅色、綠色和藍色Micro-LED芯片精確排列成指定陣列以實現全彩顯示。質量轉移過程必須達到99.9999%的產率（相當于百萬分之一的缺陷率）才能滿足大規模生產的要求[5]。即使是很小的缺陷率，在制造4K Micro-LED電視時也會導致大量像素缺陷，從而使面板無法使用[6]。此外，在數千萬個芯片中檢測和修復缺陷像素會大幅增加制造成本。目前，轉移和修復過程的成本幾乎占總成本的的一半。這些對工藝精度的極端要求以及制造成本的持續挑戰已成為大規模生產的核心障礙。
當前主流的顏色轉換方法采用單色Micro-LED（通常是藍光）作為光源，并結合量子點（QD）材料。這些量子點將部分藍光轉換為紅光和綠光，從而形成RGB原色以實現全彩顯示[7][8][9]。作為納米級半導體結構，量子點可以通過尺寸控制精確調節發射波長，提供出色的光譜調節能力[10]。然而，在高亮度或長時間工作條件下，量子點容易降低發光效率或發生發射波長偏移，從而導致顏色一致性下降。這影響了顯示的可靠性和壽命，對該技術的廣泛商業應用構成了重大挑戰。此外，實現高分辨率顯示器所需的微米級圖案化仍受到量子點薄膜厚度均勻性和熱穩定性問題的阻礙[11][12][13][14]。
值得注意的是，有機發光二極管（OLED）技術在紅光和綠光波長段已達到較高成熟度。經過多年的工業發展，紅色/綠色OLED的外部量子效率（EQE）已超過35%的閾值[15][16]。結合精細金屬掩模（FMM）蒸發工藝，可以實現高密度集成。這些優勢使得紅色和綠色OLED成為相應Micro-LED芯片的理想替代品。然而，OLED技術有一個顯著缺點：藍色OLED在高亮度水平下仍存在亮度低和壽命短的問題，其效率和壽命遠低于紅色-綠色器件[17][18][19]。
為了解決這些系統性挑戰，我們的研究團隊提出了一種創新的混合全彩架構。其核心設計理念是用高性能的基于GaN的藍色Micro-LED陣列替代不穩定的、壽命短的藍色OLED，并直接使用大規模生產的紅色/綠色OLED器件來替代需要復雜質量轉移過程的紅色和綠色Micro-LED芯片。為了實現這一器件結構，我們在4英寸GaN外延晶圓上制備了無源矩陣藍色Micro-LED陣列，并通過光刻精確保留了OLED蒸發平臺。通過結合高精度對準系統和精細金屬掩模，使用OLED真空熱蒸發設備制備了紅色和綠色OLED。這使得三種顏色的發光單元實現了單片集成。
界面和電極特性對這種混合架構的性能至關重要，因為單片集成帶來了獨特的挑戰。具體來說，在Micro-LED臺面形成過程中的干法刻蝕不可避免地會產生側壁缺陷，這會增加非輻射復合并影響載流子注入[20][21]。研究表明，側壁處理可以通過減少這些缺陷或通過粗糙化側壁結構來提高內部量子效率（IQE）和光提取效率（LEE），從而改善Micro-LED的性能[22][23]。在各種側壁處理方法中，氫氧化鉀（KOH）處理被證明是最有前景且研究最廣泛的方法之一。KOH處理可以有效修復刻蝕造成的損傷，減少非輻射復合，并提高載流子注入效率。多項研究證明了KOH在側壁鈍化中的有效性及其對Micro-LED性能的影響。例如，Wong等人使用KOH處理結合原子層沉積（ALD）提高了Micro-LED的EQE[24]。同樣，Zhu等人利用KOH處理修復了側壁損傷，實現了85.4%的內部量子效率[25]。Zhou等人利用感應耦合等離子體（ICP）刻蝕過程中光刻膠的收縮效應以及KOH溶液在GaN上的各向異性刻蝕特性，成功創建了一個多步臺面結構，使光提取效率提高了12.19%[26]。這些發現突顯了KOH處理在提高Micro-LED器件性能和可靠性方面的關鍵作用。為了便于與以往的研究進行清晰比較，表S1（補充信息）提供了關于KOH處理藍色Micro-LED的代表性研究總結。在本研究中，KOH濕法刻蝕被用作關鍵的工藝優化步驟，以修復側壁缺陷并提高器件性能。
同時，氧化銦錫（ITO）層目前作為Micro-LED的擴散層使用，需要精確調節其厚度以確保優異的導電性[27][28]。為了進一步比較，表S2（補充信息）列出了不同ITO優化策略的Micro-LED器件總結。
因此，實施了針對性的工藝優化，特別是用于修復側壁缺陷的KOH濕法刻蝕和ITO厚度調節，以提高器件性能。實驗結果表明，在最佳條件下，70×20 μm2的藍色Micro-LED單元在4.5 V驅動電壓下的亮度達到4.86×10? cd/m2。在相同的測試設置下，70×90 μm2的紅色和綠色OLED單元在5 V下的亮度分別為26 cd/m2和87 cd/m2，兩種OLED類型的開啟電壓（定義為亮度達到1 cd/m2的電壓）之間的偏差小于0.3 V。標準紅綠藍（sRGB）色域覆蓋率達到90.89%。
實驗
實驗
圖1展示了混合Micro-LED/OLED器件的制備工藝流程。對于藍色Micro-LED部分，首先使用511溶液（H?SO?:H?O?:H?O = 5:1:1）清洗基于GaN的藍色外延晶圓，以確保表面清潔。然后在晶圓表面旋涂光刻膠。通過光刻定義像素區域圖案，接著進行感應耦合等離子體反應離子刻蝕（ICP-RIE）以去除P-GaN和多量子阱層
結果與討論
本研究系統分析了不同KOH處理時間下Micro-LED器件的電學和亮度特性，揭示了刻蝕時間對器件性能的影響。綜合分析表明存在一個最佳處理時間窗口（本研究中為2分鐘），在該時間內可以獲得最佳的器件性能。
圖2(a)和圖2(b)中的電流-電壓（I-V）和電流密度-電壓（J-V）曲線表明，經過2分鐘處理的樣品表現出最佳性能
結論
總之，我們制備了一種由藍色Micro-LED（70×20 μm2）以及紅色和綠色OLED（均為70×90 μm2）組成的混合結構顯示陣列。通過優化KOH側壁處理時間和ITO厚度，我們提高了藍色Micro-LED的性能。在最佳實驗組條件下（2分鐘的處理時間，使用4 mol/L的KOH和130 nm的ITO），藍色Micro-LED的相對EL強度和亮度分別提高了59.8%和92.5%。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文報告的工作。
致謝
本工作得到了國家自然科學基金（編號：12474066）和武漢市項目（編號：2024010702020024）的支持。
