王丁可，胡海龍，郭太良，李福山*

（1. 福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350000；2. 閩都創(chuàng)新實驗室，福建 福州 350000）

1 引 言

在過去幾十年里，顯示技術經(jīng)歷了數(shù)次更新迭代。截至目前，液晶顯示技術（LCD）已經(jīng)相對成熟，應用于大多數(shù)的顯示設備。新型顯示技術如微型發(fā)光二極管顯示（Micro-LED）、有機發(fā)光二極管顯示（OLED）、量子點發(fā)光二極管顯示（QLED）等也在逐步走向產(chǎn)業(yè)化。圖1 展示了上面提到的三種新型顯示技術常見的器件結構。這些重大的技術革新不僅帶來了更輕薄、節(jié)能的顯示設備，還極大地提高了顯示效果，滿足了人們對于視覺體驗不斷增長的需求。

圖1 各種新型顯示技術的器件結構。 （a）Micro-LED；（b）QLED；（c）OLED；（d）量子點作為色彩轉換層的Micro-LED；（e）通過濾色片實現(xiàn)全彩顯示的OLED。Fig.1 Schematic of the device structure of new display technologies. （a）Micro-LED. （b）QLED. （c）OLED. （d）Micro-LED with quantum dots as the color conversion layer. （e）OLED that realizes full-color display through color filters.

顯示器分辨率的提升帶來了更多的視覺信息和更精細的圖像質量。豐富的細節(jié)呈現(xiàn)對于圖像和視頻編輯、圖形設計、醫(yī)學成像、科學研究等領域具有重要的意義[1]。隨著元宇宙、增強現(xiàn)實技術（AR）、虛擬現(xiàn)實技術（VR）等近眼顯示技術的發(fā)展，顯示技術的應用又被拓寬了一個維度，這種技術帶來的更精細的畫質、豐富的色彩和驚人的真實感正逐漸改變?nèi)藗兣c世界交互的方式。

超高分辨率顯示器和普通顯示器在核心顯示技術上基本相同，區(qū)別在于性能需求帶來的結構差異。以OLED 為例，無論是普通OLED 顯示器還是超高分辨率OLED 顯示器，在結構層面都可以大致分成三個部分：封裝層、發(fā)光層和驅動電路，其中發(fā)光層由一個個子像素構成。在普通OLED顯示器中，驅動電路通常使用成熟的CMOS 工藝制造，并安裝在顯示器的外部。然而，在超高分辨率OLED 顯示器，尤其是小尺寸顯示器中，更高的像素密度需要更復雜更精細的電路設計和控制策略以實現(xiàn)每個像素的精準控制。同時為了降低尺寸和復雜性，驅動電路可能被直接集成至顯示器的基板上[2]。在某些特殊應用，如AR 眼鏡中，除上述提到的三個部分用于顯示圖像外，仍需要一個或多個光學元件（如透鏡或波導）來調(diào)整圖像的大小和位置，以避免圖像投影過程中的失真或陰影問題。表1 總結了超高分辨率顯示器的主要性能參數(shù)和其表征手段。表2 概括了高分辨率Micro-LED、OLED 和QLED 的制造工藝及技術限制。

表1 高分辨率顯示器的重要性能參數(shù)和表征手段Tab.1 Important performance parameters and characterization methods for high-resolution displays

表2 高分辨率Micro-LED，OLED 和QLED 的制造工藝及技術限制Tab.2 Manufacturing processes and technical limitations of high resolution Micro-LED，OLED and QLED

本文將圍繞超高分辨率LED 顯示技術，對近幾年出現(xiàn)的突破性研究成果進行介紹，旨在為相關領域的研究人員提供參考。

2 Micro-LED

發(fā)光二極管（LED）技術應用于顯示的歷史最早可追溯至上世紀60 年代。紅色的砷化鎵（GaAs）和綠色的磷化鎵（GaP）LED 被用于彩色顯示器[19]。1990 年初，通過對氮化鎵進行鎂摻雜并利用低能電子束輻照結合多量子阱生長，創(chuàng)造了高效的藍色LED[20-21]。自此，全彩LED 顯示屏開始逐步走向商業(yè)化。隨著LED 技術和封裝技術的進步，單個LED 可以被直接用作像素級的發(fā)光器件，且可以在一個半導體晶片上（通常是硅或藍寶石襯底上）被生長或制造出來，尺寸被縮小到微米級，這便是Micro-LED。因其高量子效率和強大的耐用性，Micro-LED 已在許多顯示應用和視覺系統(tǒng)中作為自發(fā)光光源[22-23]。Micro-LED 顯示器需要將紅綠藍三種LED 集成到同一面板上[24-25]，以實現(xiàn)單個像素的單獨控制。像素的轉移和集成也是Micro-LED 技術目前面臨的主要挑戰(zhàn)。本節(jié)將介紹Micro-LED 顯示器的制造方法和最新研究進展。

光刻和干法刻蝕是半導體制造中廣泛使用的工藝，同樣被應用于Micro-LED 的制造中。目前主要通過感應耦合等離子體刻蝕法或反應離子刻蝕法制造Micro-LED 像素[3,26-27]。最早使用光刻法制造的Micro-LED 顯示器只能顯示單色，最小像素尺寸為1 295 DPI（每英寸1 295 個點）[28]。隨著制造水平的提高，這一數(shù)值已被提升至5 080 DPI[29]。該技術目前仍面臨干法刻蝕后損傷器件結構的問題。

單片集成是一種直接將LED 陣列排布在原生基片上的方法。常用于制造智能手表、智能手機、AR、VR 等像素密度較高的小尺寸顯示器。無源和有源驅動的小尺寸顯示器都可以通過單片集成的方法制造。但是在無源驅動顯示器中，像素矩陣中行間壓降會隨著行數(shù)立方級上升[30]，因此無源驅動顯示器無法應用于高分辨率顯示。目前有三種方法將單片式Micro-LED 與驅動電路集成：在硅片上直接生長Micro-LED、在Micro-LED 上生長晶體管和異質鍵合。但是，由于多種顏色外延生長的難度較高，大多數(shù)的單片顯示器都是使用單一顏色制成，并通過色彩轉換實現(xiàn)RGB[31]（圖2（a））。常見的色彩轉換層材料通常是磷光粉或量子點。與磷光粉相比，量子點具有可調(diào)節(jié)的光學性質、更好的色彩純度、高量子產(chǎn)率和在可見光區(qū)域的強吸收，是一種更好的轉換層材料[32-33]。光刻、電子束刻蝕、噴墨打印等均被用于Micro-LED 上量子點的圖案化。然而在實際應用時，應考慮目標應用所需的分辨率、吞吐量和對缺陷的容忍度等參數(shù)[34]。

圖2 （a）通過色彩轉換層實現(xiàn)RGB 的單片集成器件結構示意圖；（b）～（c）多色納米線LED 結構示意圖；（d）流體系統(tǒng)示意圖；（e）受體孔示意圖。Fig.2 （a）Schematic of a single-chip integrated device structure for RGB realization through a color conversion layer. （b）-（c）Schematics of multi-color nanowire LED structures. （d）Schematic of a fluidic system. （e）Schematic of a receptor hole.

納米線生長是單片集成的一種替代方法。通過納米線內(nèi)部外延生長多重量子阱，可以在無需器件刻蝕或大規(guī)模轉移的情況下實現(xiàn)幾乎沒有缺陷的高性能Micro-LED[35]。納米線的直徑變化會引起顏色的改變，較小直徑的納米線由于襯底和外延晶格的失配會產(chǎn)生松弛應變，引起帶隙紅移[31,36]。這也是一種常見的利用納米線生長的RGB 策略。另一種策略利用溫度控制納米線的生長過程，并通過SiOx掩膜改變InGaN 的晶格常數(shù)，實現(xiàn)圖案化的RGB 子像素，隨后通過調(diào)節(jié)單個納米線的偏壓實現(xiàn)顏色轉換[37-39]（圖2（b）、（c））。盡管納米線生長技術在小尺寸顯示器和RGB 集成領域有很大潛力，有創(chuàng)新性的RGB 集成策略也不斷被提出，但該技術目前仍面臨工藝復雜、效率低等問題有待進一步解決。

巨量轉移是指將數(shù)百萬個獨立的RGB 子像素從原始晶片上剝離后，通過轉移工藝將其集成到共同的背板上。Micro-LED 的高亮度使大面積顯示器不需要很高的填充密度即可實現(xiàn)與LCD和OLED 顯示器相當?shù)男阅躘40]。常用的轉移方法包括但不限于彈性印章轉移[41]、微機電系統(tǒng)轉移[42]等。上述策略都存在轉移良率較差、制造缺陷等問題[43-44]。今年，韓國LG 公司的團隊提出一種基于流體自組裝的新巨量轉移策略[45]。他們在Micro-LED 中嵌入具有鐵磁性的鎳，并將RGB 三種LED 設計成不同的形狀（與受體孔匹配）。通過在受體孔周圍施加局部介電泳力，將Micro-LED 精準地抓取并組裝在受體位點（圖2（d）、（e））。這種策略結合了磁力和介電泳力，實現(xiàn)了紅綠藍三色Micro-LED 的同時轉移，提高了產(chǎn)率和良率（99.99%）。

3 高分辨OLED

有機發(fā)光二極管（OLED）自誕生起，就因其自發(fā)光特性、寬視角、快速響應時間以及潛在的彎曲性能等特點，成為各種高端顯示設備的首選[46-47]。除了傳統(tǒng)的顯示設備，在AR∕VR 以及可折疊拉伸的柔性顯示器領域，OLED 技術也占據(jù)一席之地[48-49]。本節(jié)將介紹OLED 技術中常用的高分辨率策略。

精細金屬掩模（FMM）選擇性沉積法是目前商業(yè)制造中主流的全彩OLED 面板制造策略[50]。掩模的形成過程需要對薄金屬板進行打孔處理，這意味著，掩模上的小孔尺寸和間距必須足夠小，才能滿足超高分辨率顯示器的像素密度要求。而且，為了避免陰影遮罩現(xiàn)象，金屬板的厚度必須足夠薄[51]，像素密度超過180 ppi 時，客觀存在的物理限制將使掩模的加工變得非常困難[52]，從而使FMM 不能用于視距較小的高分辨率微顯示器的制造。另一種全彩策略是在白色OLED 上使用彩色濾色片（CF），基于光刻的圖案化工藝可以使像素密度超過2 000 ppi。然而，由于白光的利用率較低，采用這種工藝制造的顯示器存在效率和亮度降低的問題[53]。上述兩種方案需要在真空腔中進行，真空腔的大小限制加工速度的同時也提高了成本[54]。

噴墨打印（IJP）也是一種常用的高分辨率OLED 沉積技術。噴墨打印可以在非真空環(huán)境中實現(xiàn)非接觸低成本的薄膜加工。然而，由于噴頭大小和液滴體積的限制，傳統(tǒng)像素排列方法的噴墨打印OLED 分辨率通常小于200 ppi。同時，噴墨打印技術在成膜時容易出現(xiàn)咖啡環(huán)效應，即噴出的液滴在基底表面蒸發(fā)時，由于流體動力學的影響，溶質顆粒在液滴邊緣聚集形成環(huán)狀沉積物。咖啡環(huán)效應可能導致器件的性能下降。研究人員正在致力于通過提出新的像素排列方式[55-56]（圖3（a）、（b））和調(diào)控墨水成分等方法改進工藝[57]。電化學聚合（EP）是一種在電極表面直接發(fā)生反應，形成薄膜的技術。最初，電化學聚合薄膜由于表面粗糙度較高，發(fā)光效率很低[58-59]?？梢酝ㄟ^對電解質溶液、掃描率、清洗等工藝過程進行優(yōu)化，制備摻雜水平低、發(fā)光效率高且表面光滑的薄膜。目前，該技術可以實現(xiàn)2 822 ppi 的超高分辨率全彩OLEDs[60]。

圖3 兩種像素排列設計示意圖。 （a）GGRB 型排列；（b）蜂窩狀排列。Fig.3 Schematic diagrams of two pixel arrangement designs. （a）GGRB type arrangement. （b）Honeycomb arrangement.

在高分辨率OLED 顯示器中，由于像素密度的提高，必須縮小像素尺寸才能在有限的顯示器面積上容納下更多的像素。而且為了提供清晰和均勻的圖像，每個像素的位置和形狀必須非常準確。因此，光刻技術作為一種精準的圖案化工藝，在高分辨率OLED 技術中發(fā)揮著重要作用[61-62]。圖4（a）展示了通過光刻技術制造的具有1 μm 特征尺寸的紅綠雙色高分辨率OLED 顯示器[7]。與Micro-LED 不同，OLED 器件結構中的有機發(fā)光層容易受到水氧侵蝕，且光刻后的顯影等溶液處理過程會對器件的功能層造成一定的損傷。為了減輕上述負面影響，需要引入封裝工藝。圖4（b）展示了一種封裝方式。如圖所示，低溫處理后的封裝層和銦鋅氧化物層通過光刻和刻蝕的方法依次沉積，從而保護OLED 免受溶液以及水氧的侵蝕。

4 高分辨QLED

量子點（QD）是一種納米尺寸的半導體材料，與傳統(tǒng)的發(fā)光半導體相比，有更優(yōu)異的光學性能。量子點發(fā)光二極管以其卓越的色彩表現(xiàn)、更高的亮度和更廣的視角吸引了學術界和工業(yè)界的廣泛關注[63-64]。表3 展示了常見的高分辨率制備工藝及其可以實現(xiàn)的最小特征尺寸。本節(jié)將介紹基于QLED 技術的高分辨率（全彩∕單色）顯示策略，并重點介紹本課題組在這一方向的研究成果。

前文提到的噴墨打印技術也被應用在QLEDs 中，減少材料消耗的情況下形成圖案[65-66]。目前報道的最高分辨率為500 ppi，且實現(xiàn)了紅綠雙色發(fā)光[67]（圖5（a））。與OLED 類似，咖啡環(huán)效應仍是限制噴墨打印進一步發(fā)展的最大阻礙。為了抑制咖啡環(huán)效應，需要對量子點墨水進行調(diào)控[68-69]，結合打印工藝優(yōu)化圖案的表面形貌（圖5（b）、（c））。但是如何實現(xiàn)形貌與效率兼顧，仍是一個待解決的問題。

圖5 （a）噴墨打印實現(xiàn)紅綠雙色電致發(fā)光；添加劑對咖啡環(huán)效應的影響：（b）添加前，（c）添加后；（d）光刻法實現(xiàn)RGB 電致發(fā)光；電泳沉積示意圖：（e）單色沉積，（f）RGB 沉積。Fig.5 （a）Inkjet printing achieves red and green electroluminescence. The effect of additives on the coffee ring effect： （b）before adding，（c）after adding. （d）Photolithography achieves RGB electroluminescence. Schematic diagrams of electrophoretic deposition： （e）monochrome deposition，（f）RGB deposition.

光刻技術也被用于制造高分辨率QLEDs[70]（圖5（d））。具體實現(xiàn)方法是將量子點與光刻膠混合，并旋涂在基板上形成薄膜。紫外光通過掩模板后對薄膜進行照射，未被照射的部分將在后續(xù)的顯影過程中被特定溶劑去除。重復該過程即可在同一基板上形成RGB 像素。這種高分辨率策略繼承了半導體行業(yè)中光刻法的大部分優(yōu)勢，為制造高分辨率QLEDs 提供了一種高效、精準且靈活的方案。然而，顯影過程不可避免地會有光刻膠殘留，這些殘留的光刻膠可能會影響電荷在器件中的傳輸。通過引入新型的無機光刻膠[71]或配體交聯(lián)劑[72]可以在一定程度上避免光刻膠殘留對效率的影響。量子點表面富含陽離子，因此，電場可以驅動量子點在溶液中運動[73]。這種介電泳現(xiàn)象為量子點的高分辨率圖案化提供了一個可行的方案。將微型叉指電極浸入量子點溶液，通過施加電場可以將量子點選擇性沉積在正極或負極上。重復沉積和清洗過程即可得到RGB 陣列（圖5（e）、（f））。這種方法可以實現(xiàn)平均特征尺寸為2 μm、分辨率超過1 000 ppi 的QLED 面板，且具有很快的加工速度[18]。

轉印（TP）技術由于沒有額外的有機材料引入，是目前最為高效的高分辨率實現(xiàn)方案[74]。表面能量低的彈性印章如全氟聚醚[14]和聚二甲基硅烷[75]已經(jīng)被廣泛應用。該技術的原理是使用印章將供體基板涂覆的量子點薄膜拾取并轉移至目標基板上，可以形成亞微米和幾微米大小的量子點像素。通過凹版轉印可以實現(xiàn)2 460 ppi 的超高分辨率[74]（圖6（a））。然而，這種超高分辨率QLEDs 的性能很差，外量子效率和亮度與旋涂法制備的標準QLEDs 相比大約低一個數(shù)量級。這是因為轉印形成的QD 薄膜質量較差，且由于空穴傳輸層和電子傳輸層的直接接觸，在非發(fā)光區(qū)域產(chǎn)生了大量的漏電流。

圖6 （a）凹版印刷制備的高分辨率量子點光致發(fā)光圖案；（b）LB-TP 法示意圖；（c）～（d）25 400 ppi 的紅色和綠色光致發(fā)光圖案；（e）阻擋層應用示意圖。Fig.6 （a）High-resolution quantum dot photoluminescence patterns prepared by gravure printing. （b）Schematic diagram of the LB-TP method. （c）-（d）Red and green photoluminescence patterns with a resolution of 25 400 ppi. （e）Schematic diagram of the application of a blocking layer.

近期，福州大學李福山團隊開發(fā)出一個將朗繆爾薄膜（LB）技術和轉印技術結合的策略，稱為LB-TP 法，用于實現(xiàn)量子點的超高分辨率顯示[76]。朗繆爾薄膜是由一種或多種有機化合物在水-空氣界面上形成的單分子膜。由于量子點表面配體具有油性基團，量子點可以自發(fā)地在水面上排列，形成單分子層。我們將量子點溶液稀釋后注入水中并施加對向壓力，使水面上形成的量子點薄膜致密且均勻。然后使用表面帶有微結構的聚二甲基硅烷印章從水面將薄膜拾取并轉移至目標基板上（圖6（b））。通過印章表面微結構的設計，實現(xiàn)了高達25 400 ppi 的超高分辨率（圖6（c）、（d））。為了解決超高分辨率QLEDs 中的漏電流問題，通過上述方法構建了一層蜂窩狀的非發(fā)光的量子點薄膜作為阻擋層，隨后通過旋涂法用發(fā)光量子點填補蜂窩的間隙（圖6（e））。通過這種方法制成的QLEDs 分辨率為9 072 ppi，最大亮度和最大外量子效率分別達到了262 400 cd∕m2和14.72%，各項指標均遠遠超出了至今為止所報道的所有QLEDs。盡管這項技術的諸多優(yōu)勢為其帶來了非常良好的發(fā)展前景，然而仍存在一些需要解決的關鍵問題，例如設計基于這項技術的行之有效的RGB 策略、設計可以精確控制子像素的驅動電路等。

5 總結和展望

本文介紹了三種新型高分辨顯示技術的技術特點和實現(xiàn)高分辨率顯示的策略。然而，對于新型的高分辨率顯示技術而言，以下幾點仍需進一步研究和摸索。首先是像素密度的提升。為了滿足未來的顯示應用需求，需要研究人員對制造工藝和策略進行不斷的技術革新。其次是驅動電路、像素尺寸的減小可能導致驅動電流減小，進而影響像素的亮度和顏色穩(wěn)定性。然后是屏幕的色彩表現(xiàn)，盡管自發(fā)光的顯示技術能夠提供出色的色彩表現(xiàn)，但是隨著像素尺寸的減小，可能會帶來色彩不均勻或色彩失真等問題，這需要更加完備的程序設計和電路設計來提供精確的色彩控制。最后是壽命和可靠性問題，以QLED 技術為例，隨著使用時間的增加，QLED 像素的亮度會下降。相比紅色和綠色QLED，藍色QLED 的亮度下降更加顯著。這種壽命不均勻的現(xiàn)象反映到具體的應用中即表現(xiàn)為使用一段時間后的色彩失真。因此，需要從根本上優(yōu)化其制造工藝，從而提高顯示器的可靠性。

就應用層面來看，不同的顯示技術適用于不同的應用場景。Micro-LED 技術由于其更長的使用壽命，適用于大型的高分辨率顯示器制備；OLED 技術可以降低屏幕厚度和柔性化，適用于VR 眼鏡等近眼顯示應用;QLED 技術制備的顯示屏帶來的更好的色彩和更高分辨率，適合用于專業(yè)視覺編輯和成像領域的超高分辨顯示器制備。

總體來說，隨著顯示技術的演進以及人們對于海量信息需求的攀升，高分辨乃至超高分辨顯示成為重要的發(fā)展趨勢，也驅動Micro-LED、OLED、QLED 等新型顯示技術不斷走向像素的微型化和顯示器件的高度集成化。這些發(fā)光顯示技術具有各自的特點，在走向高分辨的過程中也會發(fā)展不同的微型化策略，這些新技術、新策略都有助于打破虛擬和現(xiàn)實之間的界限，推動整個人類社會的進步。

本文專家審稿意見及作者回復內(nèi)容的下載地址：http:∕∕cjl. lightpublishing. cn∕thesisDetails#10.37188∕CJL.20230136.