摘要：日本丰田合成株式会社（Toyoda Gosei Co Ltd）报告了基于氮化铟镓（InGaN）堆叠层的全彩单片微型发光二极管（LED）显示器的进展，该显示器旨在实现红-绿-蓝（RGB）发射 [Koichi Goshonoo et al, Appl. Phys.
日本丰田合成株式会社（Toyoda Gosei Co Ltd）报告了基于氮化铟镓（InGaN）堆叠层的全彩单片微型发光二极管（LED）显示器的进展，该显示器旨在实现红-绿-蓝（RGB）发射 [Koichi Goshonoo et al, Appl. Phys. Express, v18, p022003, 2025]。
研究人员评论道：“所提出的基于半导体工艺的方法能够制作出低成本、高分辨率的微型显示器。”
虽然用到的再生长步骤可能会被视为增加了工艺复杂性和成本，但该团队认为：“其他无需再生长的方法，将蓝光单片micro-LED与量子点相结合需要不同于传统半导体工艺的材料和设备，通过隧道结堆叠RGB外延层需要复杂的驱动电路。”
随着性能的逐步提升，微型显示器市场正在不断增长，有望将应用扩展到虚拟现实眼镜和电子取景器之外。为了能在阳光下使用，例如用于增强现实眼镜，需要亮度更高的显示器。目前，商用微型显示器是基于有机LED的，但单片InGaN micro-LED可能更适合提供更高的亮度。
微型显示器芯片的材料是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在图案化蓝宝石上生长的（图1）。用于独立RGB层的p型电极是在选择性去除初始MOCVD中生长的材料后，在再生长步骤中添加的。
图1：（a）全彩单片micro-LED的截面结构。（b）未进行子像素间隔离的子像素的电致发光（EL）图像。（c）进行子像素间隔离的子像素的电致发光图像。（d）制作的单片micro-LED芯片的照片。
进一步的制作工作包括台面隔离、氧化铟锡（ITO）p-电极沉积和隔离、二氧化硅（SiO2）钝化以及n-金属、p-金属键合垫。
该团队报告称，与先前的微型显示器研究相比，他们增加了两个干法刻蚀步骤：“移除n-GaN，隔离每一行用于无源矩阵驱动，并移除相邻子像素之间的p型层”。如果没有p-电极隔离，器件就会在相邻子像素之间发生意外发射。
研究人员评论道：“无源矩阵电路中的每一行都连接到一个公共阴极，因此无需移除同一行中相邻子像素之间的n-GaN来隔离相邻子像素；只需移除p型层即可。但是，为了使无源矩阵电路正常工作，需要移除行间的n-GaN。”
完成的芯片由一个96x96像素阵列组成，总显示面积为2.88mmx2.88mm。芯片本身的尺寸为3mmx3mm。
在探测实验中（图2），研究团队发现，注入电流在20μA和200μA之间时，RGB子像素的波长偏移分别为21nm、23nm和8nm。与GB像素相比，R像素的驱动电压要低0.7V左右，这是因为R有源材料的带隙较窄，仅为2.1eV，而B有源材料的带隙为2.7eV。G像素的驱动电压接近甚至高于B像素的驱动电压，研究人员解释道，“据推测，这是多色结构的形成过程所致”。
图2：（a）-（c）10-200μA电流范围内，红色、绿色和蓝色子像素各自的电致发光光谱。（d）色度图。（e）电致发光图像。（f）每个子像素颜色的电流-电压特性。
根据与普通尺寸LED的比较，RGB像素的外部量子效率（EQE）间接估计值分别为0.2%、2%和3%。微发射测量存在困难，因此无法进行直接评估。
研究人员评论道：“由于InGaN发红光存在困难，红光的效率比其他色光低一个数量级，而由于本研究所考虑结构的特有工艺，绿光和蓝光的效率也比单色光的效率低。”
研究团队还报告称：“所产生色域覆盖了ITU-R Recommendation BT.2020（BT.2020）的57.6%和美国国家电视系统委员会（NTSC）标准的69.9%。”研究团队先前的研究覆盖了NTSC标准的95.4%，相比之下，此次的色域要窄得多。研究人员写道：“这一缩小主要是因为红光发光层的质量和高注入电流导致的红光发光波长变短。”研究人员补充道：“可以通过调整红光发光层来解决这一限制。”
这些芯片以无源矩阵的形式连接起来，并与包括Teensy 4.1微控制器在内的驱动电路相连，其中Teensy 4.1微控制器负责生成串行数据和时钟信号。这些数据被转换成并行格式，通过移位寄存器电路和晶体管阵列驱动各个像素。
图3：单片micro-LED阵列的显示图像。
研究团队通过脉宽调制（PWM）渲染了一幅宝莲灯鱼的4位灰度RGB图像（图3）。由于红光通道的质量较低，图像中宝莲灯鱼的蓝/红色受到影响。这一点有望通过更精确的电流和/或脉宽调制来纠正，以弥补R像素效率较低的问题。
芯片外围也有不发光的区域，这显然是芯片与基板键合过程中键合压力不足造成的。
来源：雅时化合物半导体
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来源：CSC化合物半导体