厉害！新年伊始，这个团队已发表两篇Nature正刊！

2023年刚刚过去一个月，Jeehwan Kim团队已经发表两篇Nature了，一篇是1月18日，另一篇是2月1日。

Micro-LEDs(μLEDs)已被用于增强和虚拟现实显示应用，这些应用需要极高的每英寸像素和亮度。

然而，基于红、绿、蓝(RGB) μLEDs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。最近垂直μLEDs显示器的演示，试图通过堆叠独立的RGB LED膜和自顶向下制造来解决这个问题，但最小化堆叠μLEDs的横向尺寸一直很困难。

在此，来自美国弗吉尼亚大学的Kyusang Lee & 韩国首尔世宗大学的Young Joon Hong&美国佐治亚理工学院的Abdallah Ougazzaden&美国麻省理工学院的Kwanghun Chung和Jeehwan Kim等研究者实现了据目前所知、迄今为止报道的最高阵列密度(5100像素/英寸)和最小尺寸(4 µm)的全彩色垂直堆叠μLEDs。相关论文以题为“Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer”于2023年02月01日发表在Nature上。

微型发光二极管(μLEDs)，由于其尺寸小和亮度高，被认为是增强和虚拟现实(AR/VR)显示器的理想组成部分，这对于近眼和/或户外应用至关重要。然而，通过传统的传质过程实现全彩μLEDs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)μLEDs芯片——例如，红色为GaAs，绿色和蓝色LED为蓝宝石——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。尽管在分辨率、良率和吞吐量方面有了巨大的改进，但这些方法，尚未产生足够高像素密度的μLEDs显示器。

为了解决这些问题，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μLEDs显示器。然而，用于生产独立式LEDs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。

具体来说，基于氮化铟镓(InGaN)的LEDs的传统异质外延和激光剥离工艺，分别需要在有源层下添加厚厚的缓冲层，以最大限度地减少晶格错配引起的位错和防止激光引起的损伤。

因此，这些LED薄膜的厚度为5-10微米，这使得制造亚10微米垂直μLEDs不切实际，因为高纵横比阻碍了高分辨率光刻。缓慢的释放速度和昂贵晶圆的有限重复使用，为制造商带来了额外的担忧。因此，迫切需要一种能够产生超薄、易于释放和低成本的独立式LED膜的起飞技术，以进一步推进垂直μLEDs微显示技术。

在此，研究者展示了据目前所知和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μLEDs。

这是通过基于二维材料的层转移(2DLT)技术实现的，该技术允许(1)超薄RGB LED(厚度：1-2微米)通过远程外延或范德华外延在二维材料涂层基片上外延；(2)从2D材料中机械释放LED层并随后重复使用基片；(3)通过使用粘合剂聚合物层进行堆叠；(4)自上而下制造以产生垂直RGB μLEDs。研究者的垂直μ LED实现了约9 μ m的总厚度，这使得μLED阵列的制造具有创纪录的高密度。

从2D材料中快速精确地机械释放LEDs，允许高通量生产μLEDs，晶圆的可重用性降低了材料成本。研究者还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。

研究者展示了一个像素间距为14 µm(大约1800 PPI)的小型μLEDs显示器，由蓝色μLEDs垂直集成硅薄膜晶体管(TFTs)组成，用于有源矩阵操作。最后，研究者通过在2D材料上制备的高分辨率、选择性质量传递的μLEDs，展示了2DLT在大规模μLEDs显示屏构建中的实用价值。

图1. 由2DLT支持的垂直堆叠全彩μLEDs

图2. 通过2DLT生产超薄RGB LED膜

图3. 通过波长特定的、基于PI的吸收器预防PL

图4. 启用2DLT的全彩垂直超小μLEDs

综上所述，研究者展示了超薄单晶RGB LED薄膜的二维材料外延、层转移和异构集成策略，用于构建垂直堆叠的全彩LED阵列，具有创纪录的高器件密度。研究者还展示了一种基于蓝色μLEDs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μLEDs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μLEDs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μLEDs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。

作者简介

Jeehwan Kim教授是麻省理工学院机械工程和材料科学与工程副教授。他的研究范围从基础材料物理/力学到电子/光子器件和下一代电子系统。

金教授是麻省理工学院电子研究实验室的首席研究员。他的团队专注于为下一代计算和电子技术提供纳米技术创新。在2015年加入麻省理工学院之前，自2008年以来，他是IBM T.J. Watson研究中心(Yorktown Heights, NY)的研究人员。他的许多专利已经获得商业化许可。金教授曾获20项IBM高价值发明成就奖。2012年，他被IBM任命为“发明大师”，以表彰他积极创造知识产权和将研究成果商业化。他是DARPA青年教员奖的获得者。他是200项已发布/未决美国专利的发明人，在同行评审期刊上发表了50篇文章。他在弘益大学获得学士学位，在首尔国立大学获得硕士学位，并于2008年在加州大学洛杉矶分校获得博士学位，所有这些学位都是材料科学。

文献信息

Shin, J., Kim, H., Sundaram, S. et al. Vertical full-colour micro-LEDs via 2D materials-based layer transfer. Nature 614, 81–87 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05612-1

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05612-1

http://jeehwanlab.mit.edu/

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