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Micro-LED阵列理论及显示技术研究

李阳  
【摘要】:发光二极管(LED)以亮度高、寿命长、响应速度快和环保等优点在照明和显示领域得到广泛的应用。近几年,半导体微纳制造技术与LED技术的结合使LED显示技术向着微显示、高分辨率的方向迅速发展,具有微米量级特征尺寸的微型发光二极管(Micro-LED)在国际上得到广泛关注。与OLED和LCD等技术相比,Micro-LED具有很多优异的特性,如更高的亮度、分辨率与色彩饱和度,更低的能耗,更长的寿命和更快的响应速度,具有广阔的应用前景。Micro-LED阵列是在较小面积内集成的高密度、微尺寸的LED二维阵列。其微尺寸、高亮度等优点使之可以应用在高分辨显示、无透镜显微镜、超分辨显微镜、光学镊子、光神经接口、无掩膜光刻和可见光通信等众多领域。同时,随着需求的升级,全彩Micro-LED阵列器件也进入人们的视野。全彩显示器件具有更广泛的应用,如面板显示器、平视显示器(HUD)、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、智能手表和智能手机等。本文针对Micro-LED的阵列理论及显示技术开展了研究,具体工作可分为以下几个部分:(1)开展了Micro-LED器件光电特性的研究。通过有限元仿真分析了电极结构和尺寸对Micro-LED光电特性的影响,并提出通过将Micro-LED阵列化提高电光转换效率的方法。通过有限元仿真,将40μm、80μm和160μm的大尺寸的Micro-LED阵列化成2×2的20μm、40μm和80μm的小尺寸的Micro-LED阵列,对比分析相应的光电特性,结果表明,由于电流密度分布和散热能力的改善,阵列化的Micro-LED比具有相同发光面积的大尺寸Micro-LED具有更高的峰值光功率。(2)开展了Micro-LED阵列器件制备工艺的实验研究。对比分析了掩膜材料对ICP刻蚀的影响和沉积方式对二氧化硅介质层质量的影响,并通过ICP台面刻蚀、N电极沉积、二氧化硅沉积和P电极沉积制作了可单独驱动的像素尺寸为10μm×10μm,阵列数为6×6的倒装蓝光Micro-LED显示阵列。(3)开展了三色集成Micro-LED全彩显示阵列器件的研究。首先设计了全彩色Micro-LED阵列显示器件的整体结构和工艺流程;然后在硅衬底上设计和制作了图形化内部驱动电路,并通过转印将红绿蓝单色Micro-LED集成到该硅基板上形成全彩色Micro-LED阵列;红绿蓝Micro-LED均是倒装型结构,其中,倒装红光Micro-LED是通过衬底转移,台面刻蚀,金属沉积和芯片切割制作而成;将全彩色Micro-LED阵列与外部驱动电路集成,完成48×48全彩色像素化可寻址Micro-LED显示器件的制作。(4)开展了单片集成Micro-LED全彩显示阵列器件的研究,提出通过微流控技术制作用于Micro-LED全彩显示的量子点色转换层的新方法。制作了具有高效的发光性能的钙钛矿量子点,绿光量子产率高达90%、FWHM可达14.2nm,红光量子产率可达51%、FWHM可达23.8nm。通过微流控技术制作了全彩像素单元尺寸为400μm和200μm,阵列数为10×10和20×20的三种钙钛矿量子点色转换层。实验表明,2mg/m L浓度的红绿钙钛矿量子点具有最佳的性能,所对应的量子点色转换层色空间覆盖率为131%NTSC,具有较好的显示效果。


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