MicroLED的新型制造方法介绍

如果拆开你的笔记本电脑屏幕，你会发现其核心是一块由红色、绿色和蓝色LED像素组成的平板，端对端排列，就像一块整齐的Lite Brite显示屏。当通电时，这些LED可以产生彩虹中的每一种颜色，从而形成全彩显示器。多年来，单个像素的尺寸已经不断缩小，使得更多的像素可以被封装到设备中，以生产更清晰、更高分辨率的数字显示器。

但与计算机晶体管一样，LED在保证其有效性能的同时，也达到了其物理尺寸极限。这种限制在近距离显示设备（如ARVR设备）中尤其明显，有限的像素密度会导致“屏幕门效应”，从而会让用户感知到像素之间的波纹。

目前，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种新的方法来制造更清晰、无缺陷的显示器。该团队发明了一种堆叠二极管的方法，以创建垂直的多色像素，而不是水平地并排放置红色、绿色和蓝色LED。

每个堆叠的像素可以产生各种可见颜色，宽度约为4微米。这种微型像素或“MicroLED”的堆叠密度可以达到每英寸5000像素。

麻省理工学院机械工程副教授Jeehwan Kim表示：“这是最小的MciroLED像素，也是目前所知的可达到的最高像素密度。我们证明了，垂直像素化是以更小面积实现更高分辨率显示器的方法。”

“对于VR来说，它们目前的观看真实程度是有限的，”Kim教授研究小组的博士后Jiho Shin补充道。“我们的垂直MicroLED，可以让您获得完全沉浸式的体验，而且无法区分虚拟与现实的差别。”

像素放置

目前的数字显示器是通过有机发光二极管（OLED）来发光的，OLED是一种塑料二极管，通过响应电流来发光。OLED是目前领先的数字显示技术，但随着时间的推移，二极管会退化，从而导致屏幕永久老化。这项技术也面临着二极管尺寸达到极限的问题，限制了它们的清晰度和分辨率。

对于下一代显示技术，研究人员正在探索无机MicroLED，这种二极管的尺寸是传统LED的百分之一，由无机单晶半导体材料制成。MicroLED比OLED具有更好性能，但只需更少的能量，使用时间也更长。

但MicroLED的制造需要极高的精度，因为红色、绿色和蓝色的微型像素需要首先在晶圆上单独生长，然后将它们精确地放置在基板上，彼此精确对齐，以便能正确反射并产生各种颜色和色调。实现这样的微观精度是一项艰巨的任务，如果像素放置不正确，则整个设备都将报废。

“这种拾取和放置的制造很可能会在很小的范围内使像素错位，”Kim表示。“如果一旦出现错位，你就必须舍弃这些材料，否则可能会毁了整块显示器。”

颜色堆叠

麻省理工学院的团队提出了一种潜在的、更环保的方法来制造MicroLED，这种方法不需要精确的逐像素对准。与传统的水平像素排列相比，该技术是一种完全不同的垂直LED方法。

Kim的团队致力于开发制造超薄、高性能的纯薄膜技术，以期设计出更小、更薄、更灵活、更实用的电子产品。该团队之前开发了一种从硅晶圆和其他表面生长和剥离出完美二维单晶材料的方法——他们称之为基于二维材料的层转移（2DLT）。

在目前的研究中，研究人员采用了同样的方法来生长红色、绿色和蓝色LED超薄膜。然后，他们将整个LED膜从基片上剥离，并将它们堆叠在一起，形成一层由红色、绿色和蓝色膜组成的模块。然后，他们可以将该模块切割成微小的垂直像素图案，每个像素的宽度只有4微米。

Shin指出：“在传统显示器中，每个R、G和B像素都是横向排列的，这限制了您可以创建每个像素的大小。因为我们垂直堆叠这三个像素，理论上我们可以将像素面积减少三分之一。”

为了演示，该团队制作了一块垂直LED像素，并证明了可通过改变施加到每个像素中的红、绿和蓝膜上的电压，在该像素中可以产生各种颜色。

Shin表示：“如果通过红色像素的电流高，而通过蓝色的电流弱，像素就会呈现粉红色，以此类推。我们能够创造所有的混合色，我们的显示器可以囊括几乎所有可用的商业色彩。”

该团队计划再改进对垂直像素的处理。到目前为止，他们已经证明了，他们可以刺激一个单独的结构，产生全光谱的颜色。他们将致力于制作一个由许多垂直MicroLED像素组成的阵列。

“需要有一个可单独控制2500万个LED的系统，”Shin表示。“目前我们只是部分证明了这一点。有源矩阵运算是我们需要进一步研究的。”

“目前，我们已经展示了我们可以生长、剥离和堆叠超薄LED，”Kim表示。“这是对于智能手表和VR设备等小型显示设备来说的最优解决方案，在这些设备中，需要高密度像素来生成清晰、生动的图像。”

编辑：黄飞