特别说明：本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
微发光二极管(μled)由于其小尺寸和高亮度，被认为是增强和虚拟现实(AR/VR)显示器的理想组件。通过传统的传质过程实现全彩μLED显示器一直具有挑战性。这些工艺需要从各自的外延晶片中提取红、绿、蓝(RGB)µLED芯片，然后连续精确传输R-、G-和B-LED芯片，用于RGB像素的横向组装。
关键问题
基于红、绿、蓝μled横向组装的传统制造工艺在提高像素密度方面存在局限性，尚未产生足够高像素密度的µLED显示器。许多研究人员通过独立RGB LED膜的单片集成以及自上而下的制造，开发了具有垂直对齐RGB子像素的µLED显示器。然而，用于生产独立式led的传统外延提升技术可能不足以构建AR/VR显示器所需的10微米以下像素。亟需一种能够产生超薄、易于释放和低成本的独立式LED膜的新兴技术，以进一步推进垂直μLED微显示技术。
新思路
有鉴于此，麻省理工学院Jeehwan Kim等人报告了迄今为止报道的最高阵列密度(5100像素/英寸)和最小尺寸(4微米)的全彩色垂直堆叠μLED。这是通过基于二维材料的层转移技术实现的，该技术允许通过远程或范德华外延、机械释放和叠加LED在二维材料涂层基片上生长近亚微米厚度的RGB led，然后进行自上而下的制造。有史以来最小的叠层高度约为9 µm，是实现µLED阵列密度创纪录的关键。作者还演示了蓝色µLED与硅膜晶体管的垂直集成，用于有源矩阵操作。这些结果为创建用于增强和虚拟现实的全彩微led显示器奠定了基础，同时也为更广泛的三维集成设备类别提供了一个可推广的平台。
作者在石墨烯涂层的GaAs晶片上通过外延和2DLT工艺制备了高度约9 μm的全彩垂直μLED。作者证明了RGB LED薄膜的外延结构以及超光滑hBN层和多量子阱的形成。RGB μLED的亮度在104-106 cd m-2范围内，这对于AR/VR显示应用是足够的。作者设计了基于pi的蓝色和绿色光学吸收器，并将它们分别作为G/B和R/G led之间的粘合夹层插入，以阻止向下发射。作者证明了所设计的吸收剂在垂直堆叠配置中预防PL的有效性。作者证实了本工作的µLED有潜力覆盖显示应用所需的全部颜色，且有可能大幅降低RGB μLED的尺寸和间距。该技术实现的μLED密度范围将足以满足人类视觉对近眼显示的特殊需求且具有功能性显示器的应用潜力。1、实现了迄今为止报道的最小尺寸和最高阵列密度的全彩垂直堆叠µLED通过基于二维材料的层转移(2DLT)技术实现了迄今为止报道的最小尺寸(4微米)和最高阵列密度(5100像素/英寸(PPI)的全彩垂直堆叠μLED。2、实现了创纪录的高密度，比文献报道高一个数量级以上本工作报道的垂直μLED实现了约9 μm的总厚度，这使得μLED阵列的制造具有创纪录的高密度，在本研究中实现的μLED阵列密度比文献中报道的自发射RGB μLED显示器的PPIs高出一个数量级以上。3、开发了具有波长选择性聚酰亚胺(PI)吸收器，有效预防PL开发了波长选择性聚酰亚胺(PI)吸收器(约1.6 μm)，既可作为胶粘剂中间层，也可作为光学滤光片，防止LED膜之间的干扰，并无需加入额外的光学元件。
技术细节
作者在石墨烯涂层的GaAs晶片上远程外延红色LED，并在hBN涂层的蓝宝石衬底上进行绿色和蓝色LED的范德华外延，产生了厚度为1-2微米的单晶RGB LED层。通过2DLT工艺从底物中释放。释放的LED膜使用PI吸收器键合层按带隙能量的升序堆叠，以最大限度地减少向上方向的光吸收。2DLT的使用使超薄单晶LED的制备成为可能，这是由于在光滑的2D表面上外延应变的松弛。在PI粘附层中添加波长选择性染料，消除了光学滤光片的引入以防止LED之间的干扰的需要，最终产生了高度约9 μm的全彩垂直μLED。
STEM图像显示了石墨烯涂层GaAs晶圆上的红色LED和绿/蓝LED的外延结构。RGB LED薄膜的厚度分别为1.9、1.1和1.0µm，LED保持了单晶性和光滑的表面形貌，表征结果证实了超光滑hBN层和多量子阱(MQWs)的形成。由于LED与衬底的弱相互作用，在2D材料上生长的LED可以很容易地使用金属压力源和热释放带(trt)剥离，这允许独立LED层的转移和堆叠而不损坏。因此，在各自的外延晶片上制备的RGB µLED的I-V特性和打开电压与由转移(红色)和垂直堆叠(蓝色)膜制备的µled相当。RGB μLED的亮度在104-106 cd m-2范围内，这对于AR/VR显示应用是足够的。
在垂直堆叠的全彩μLED设计中，一个重要的考虑因素是通过吸收和再发射防止LED层之间的干扰，这种现象被称为光致发光(PL)。为了防止诱导PL的发生，作者设计了基于pi的蓝色和绿色光学吸收器，并将它们分别作为G/B和R/G led之间的粘合夹层插入，以阻止向下发射。所设计的吸收剂作为LED上的涂层，可以完全吸收各自的目标颜色发射，同时传输超过90%的非目标颜色发射。重要的是它们在垂直堆叠配置中预防PL的有效性。
RGB发射区域的精确垂直重叠和垂直μled的小厚度可以实现自然和高分辨率的色彩混合。本工作的µLED所实现的颜色空间与sRGB和DCI-P3分别有99.4%和86.9%的重叠，表明有潜力覆盖显示应用所需的全部颜色。垂直μLED技术的最大优势是，与具有横向亚像素布局的传统显示器相比，有可能大幅降低RGB μLED的尺寸和间距。在本研究中实现的μLED阵列密度比文献中报道的自发射RGB μLED显示器的PPIs高出一个数量级以上。该技术实现的μLED密度范围将足以满足人类视觉对近眼显示的特殊需求。此外，作者还证实了垂直μLED通过有源矩阵运算来处理单个LED的能力。
展望
总之，作者展示了基于二维材料的外延、层转移和超薄单晶RGB LED薄膜的异构集成策略，构建了垂直堆叠的全彩LED阵列，具有创纪录的高器件密度。作者还展示了一种基于蓝色μLED垂直集成Si TFTs的有源矩阵显示器，以及一种基于2DLT的传质过程，可以将垂直μLED的效用扩展到大规模显示器。通过开发具有增强材料和器件特性的基于远程外延的蓝色和绿色LED，具有更高透明度的透明导电氧化物和分布式布拉格反射器，结合无色粘附层，可以消除向下LED发射的损失，垂直μLED的性能可以进一步提高。本文介绍的材料、器件架构和制造工艺有潜力帮助实现全彩、基于μLED的AR/VR微显示器、电视和智能手机显示器，以及广泛的三维集成光子、电子和光电子系统。Shin, J., Kim, H., Sundaram, S. et al. Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer. Nature 614, 81–87 (2023).DOI：10.1038/s41586-022-05612-1https://doi.org/10.1038/s41586-022-05612-1
