打破微显示极限的三色堆叠Micro-LED技术
建校80周年之际，一项源自微电子学院的前沿科技迎来新的突破—三色堆叠单片集成Micro-LED微显示技术。这项被誉为“打破微显示极限”的创新成果，针对全彩微显示领域长期存在的瓶颈提出了颠覆性方案：通过在同一芯片上垂直集成红、绿、蓝三色发光结构，实现单片全彩超高分辨率的微型显示屏，为下一代显示技术带来新的曙光。
微显示技术要实现全彩显示，最大的难题之一在于传统RGB子像素的巨量转移组装。现有工艺往往需要将尺寸微米级的红、绿、蓝LED芯片分别制作，再通过精密设备将数百万计的芯片转移并对准到基板上。这种“巨量转移”过程复杂、成本高昂，而且在像素尺寸继续缩小时面临严峻挑战。针对这一瓶颈，提出了红、绿、蓝三色量子阱垂直叠层单片集成的新结构。这一原创设计从源头上避免了繁琐的芯片转移和对准过程，不仅架构更为简洁，更可显著提升像素密度、显示性能和可靠性。在该设计中，不同颜色的发光单元被垂直叠放在同一微像素内，使像素间距缩小至微米级，从而突破了现有微显示的分辨率极限，并实现更佳的色彩均匀性。这一颠覆性方案目前在国内外尚无成熟先例，体现出原创性的巧思，为超高分辨率、高亮度的单片全彩微显示提供了全新路径。
图1 Micro-LED的各个应用场景示例
要在单片上实现红绿蓝三色堆叠发光，核心在于材料生长与结构控制。邢琨课题组深耕III族氮化物半导体领域，充分发挥了MOCVD外延生长的优势，并在应力控制、界面管理和器件优化方面进行了系列技术创新。在材料生长过程中，课题组借鉴此前攻关红光Micro-LED时积累的经验，采用高质量模板制备和应变补偿等手段，有效降低异质叠层外延时的应力累积和位错缺陷密度。尤其是在红光InGaN量子阱生长上，引入了创新的应力释放纳米柱模板和铟组分优化策略，成功提升了材料晶体质量和铟元素掺入效率，使发光波长拓展至纯红光656 nm且在低电流密度下实现近10%的外量子效率，远超传统红光LED水平。课题组甚至外延出波长大于650 nm的深红光LED，并制备了峰值650 nm的深红光Micro-LED阵列原型，大幅提高了红光Micro-LED的效率和色纯度，为高色域全彩微显示奠定了关键基础(图2)。
图2 (左) 4英寸Micro-LED晶圆；(右) 不同电流密度下不同尺寸Micro-LED点亮图
在此基础上，课题组将红光外延的突破性成果拓展到红、绿、蓝三色量子阱的叠层集成。通过精细调控每一层量子阱的InGaN组分和厚度，实现所需的发光波长和高内部量子效率；通过应力补偿层和过渡层设计，有效抑制叠层应力过度累积，避免晶圆开裂和翘曲；通过优化各发光层界面生长工艺，防止不同量子阱间的元素互扩散和性能互扰，确保红、绿、蓝三色发光单元各自高效且独立地发光(图3)。此外，课题组还开发出配套的微显示器件工艺，如像素电极和隔离结构设计，以实现堆叠结构中三基色子像素的独立驱动，并优化光学设计来提高出光效率和色彩表现。这一系列创新举措，使得在一片芯片上连续生长并集成RGB三色成为可能，开创了Micro-LED全彩显示的新架构。
图3 单颗像素Micro-LED芯片下的三基色实测图
这种三色堆叠Micro-LED单片全彩技术的出现，为微显示应用开启了广阔前景。与传统分立芯片巨量转移或颜色转换方案相比，单片集成的全彩外延架构不仅工艺流程大大简化，在保证高色纯度的同时还能显著提升显示亮度和可靠性，为微显示技术带来重大发展契机。微显示器件尤其是在增强现实、虚拟现实以及各类可穿戴显示领域被寄予厚望，这类应用需要微米级像素、超高分辨率和高亮度的全彩显示屏，以实现逼真的沉浸式体验和轻便的终端产品。三色堆叠Micro-LED技术正是为满足这些苛刻需求而生：其像素尺寸之小、集成度之高，足以支持超高的像素密度；其采用直接发光的III族氮化物半导体材料，具有亮度高、响应快和寿命长等天然优势；更重要的是，它在单芯片上实现全彩，从根本上克服了巨量转移导致的良率和一致性难题。可以预见，该技术的成功有望在高分辨率、大色域、高亮度微显示领域取得重大突破，为新一代可穿戴显示、AR/VR等应用带来更广阔的技术空间。当人们戴上更轻便的AR眼镜，或使用更清晰的微投影仪时，这项源于合工大的创新将成为背后默默驱动的关键力量。
凭借敏锐的洞察和不懈的努力，课题组在短短数年内取得了一系列令同行瞩目的成果。近两年以第一作者或通讯作者在国际顶尖期刊上发表SCI论文10余篇，其中8篇属于JCR一区（包括4篇Applied Physics Letters、IEEE Electron Device Letters、Advanced Optical Materials、Optics Express等），另有2篇为JCR二区。这些高水平论文充分展示了课题组在Micro-LED领域的原创性工作，也为学界提供了重要参考。更值得一提的是，课题组参与的“基于铟镓氮红光Micro-LED芯片的全彩显示技术”项目科研成果成功入选“2024年度中国第三代半导体技术十大进展”，彰显了该青年课题组在第三代半导体与微显示技术领域的卓越科研实力和国际学术影响力。这一荣誉不仅是对其研究成果的肯定，也是对我国在Micro-LED前沿探索中实现重大突破的有力见证。
图4 实验室MOCVD晶体外延设备与材料器件光电性能表征系统
