湖南大學材料科學與工程學院李梓維教授在2025中國國際Mini/Micro-LED產業技術峰會上發表《硅基Micro-LED芯屏一體光電融合技術》主題報告。
未來新型顯示形態會進入到交互式、可穿戴式的新生態，新型顯示將直接貼近人眼的呈現方式。Micro-LED是尺寸微縮百倍之后的微型發光器件，針對未來可穿戴顯示設備應用，實現“小而亮、彩而清”是行業技術難題。
Micro-LED單片全彩技術有幾個層次的技術挑戰：高光效方面，需要襯底的發光芯片具有高的轉化效率，目前綠色的轉化率比較優良，紅色是面臨材料自身的瓶頸問題，藍色可以用，但是三色最終理想是達到效率的均衡，目前還存在一定挑戰。廣色域方面，如果用純無機、氮化鎵等體系，發光峰較寬，需要量子點的調整方案和色轉化層進行顏色的過濾或者提升。超高亮度方面，AR眼鏡形態上也是透明顯示，它的光耦合效率到人眼里面，轉化比率大概1%、2%，高一點達到5%、10%，對于顯示亮度的需求至少是百萬尼特起步。
針對這些問題，我們團隊自身聚焦在材料、工藝方面的突破，也有與諾視合作開展工藝和產線上的研發。
首先來看高性能硅基Micro-LED芯片工藝。高性能的硅基微顯示芯片，巨量轉移往往使用藍寶石作為襯底，外延氮化鎵作為發光層。硅是集成電路里面非常寶貴的基石，我們所采用的是硅基的氮化鎵外延體系，從制造的工藝來講，這個外延早期的時候遇到瓶頸問題，要把兩個材料長在一起非常困難。經過幾年發展，以及我們跟晶能合作，目前針對8英寸/12英寸，解決了硅基氮化鎵的外延。選擇硅，是因為它的大尺寸工藝非常成熟，能夠解決成本問題。例如，在同樣的芯片標準尺寸上，如果采用6英寸的襯底，會比4英寸的芯片有效利用效率提高20%-40%，成本也能大大降低。
我們在實驗室開發了一套原位外延和監測表征系統，這個系統可以生長一些三維等混合的半導體相關材料。外延工藝遇到一些挑戰，包括晶向控制、應力工程，要保持均一性，還有溫場控制，目前已經解決了8英寸/12英寸，可以達到較好的良率。有了較好的硅基氮化鎵襯底，開發單側的微顯示芯片，晶圓采購過來之后通過光刻方法開發技術，4英寸硅基工藝是完全驅動的，在做好的基礎上做刻蝕，這樣沒有對準的過程，叫非對準工藝，能降低工藝難度。
底部是CMOS驅動，是一個單獨獨立控制的驅動電機，上面采用混合點極，用ITO和混合金屬共同來實現，它要解決電流的均勻擴散的問題，如果在0.39、0.6的微顯示的面積里面要保證電流的均勻性，這個均勻性會影響芯片中間的發光亮度和邊緣發光亮度的差異化問題，這樣的混合電極也是非常必要的，要解決的ITO和氮化鎵界面的接觸問題，如果電阻過大電流效應、熱效應非常顯著。
我們也做了相關熱效應測試。如果沒有做合適的混合電極，在工作一段時間之后，溫度很快會到100多度，如果是良好的電極接觸還可以保持它在適溫的狀態，這就是高效的電流轉化過程，沒有過度的熱積累，這樣的芯片襯底能保證后面做單片全彩的相關技術。
外延的過程，發光單元要有圖案化的處理，這是屬于光學的耦合方案，通過納米草叢、光學納米結構的設計，想辦法讓光效從上面的天窗出口耦合出來，側壁要做好鈍化層。單側顯示目前的效率，藍色是7%左右，綠色現在可以達到10%，紅色可以有突破1%。去年我們公布的一個成果是，突破了小尺寸Micro-LED出光效率瓶頸，實現了單器件尺寸1.5μm，像素密度超過10000PPI，最高亮度可達1000萬nits Micro-LED陣列。這是與硅基CMOS做的大規模集成，在0.1英寸面積上，實現百萬個IC驅動互聯的MicroLED有效集成，良率高達96%以上。單片0.39英寸高清微顯示屏可以動態展示一些圖像，分辨率是1024×768。現在，我們更多聚焦在眼鏡形態上，最小像元（1.5微米）分辨率為640×480的高清微顯示屏，已全屏點亮，可以完美集成在眼鏡里面。
我們嘗試做單片全彩，同時也認為，未來單片全彩肯定是剛需。學術界有很多的科學家們還有三星的研發機構做單片全彩的嘗試方案，有用巨量轉移、層轉移等的開發方案，也有很多直寫光刻膠集成方案，從報道來看，很多報道上可以做到5微米以下非常漂亮的像素化、圖案化的色塊。但是真正要把它做在Micro-LED的芯片表面上，還是有一些問題和考驗。這方面，我們是采用量子點光刻堆疊。
我們前期開發的是4英寸的工藝，在做完藍色的芯片上，通過光刻膠做光刻的像素圖案化，實現RGB單片全彩。但這會有藍光泄露的問題，可以把像素做上去，但是做上去藍光泄露是客觀存在的事情。現在的方案是采用鈣鈦礦量子點方案，因為它更容易去創造一些表面的化學鍵，在做五微米或者以下更小尺寸的時候，界面的化學鍵作用會決定最后的良率，我們開發化學鍵的方案解決量子點自身的穩定性問題。
如果做10微米以上，光刻的像素還是可以保證良率，但是10微米以下的時候，由于界面接觸面積變小，在工藝的過程中又有一些液體對它進行流動性的撞擊，5微米以下很難保證良率，像素已經被洗掉了，我們開發一個表面的界面鍵合，提供一個納米的膠帶，粘住襯底和像素，可以保證在5微米以下達到100%的光刻集成良率。
我們和諾視主推垂直堆疊全彩方案，這個類似集成電路的解決方案，通過之前的單色把藍色基底和CMOS驅動進行一次鍵合，現在把綠色、紅色三層分別鍵合堆疊，預留好挖孔，讓光耦合出來，現在實現了樣機，諾視也在湖州已經完成了產線的通產。從實現RGB的單片全彩效果，可以看到通過組合的電流方式變化，可以實現非常大的色域光譜調控，紅、綠、藍相關顏色的調控。
0.39的垂直堆疊微顯示芯片，使用垂直堆疊工藝來做，我們還在努力希望下一步突破微小尺寸。最近三四年我們和諾視科技主要合作，依托湖南大學實驗線平臺，這些可以小批量生產Micro-LED的平臺來共同完成。未來我們也期待Micro-LED可以盡早應用到車載顯示、可穿戴顯示產品上，希望能夠更快普及。
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