钙钛矿助力Micro-LED发展：从材料突破到显示应用

Micro-LED正逐渐成为下一代显示技术，其特点是具有高分辨率、高亮度和高响应速度，这些特性在光通信、增强现实或虚拟现实以及可穿戴设备领域至关重要。美能显示作为行业内领先的显示技术检测公司，一直密切关注着Micro-LED技术的发展，并致力于通过先进的检测手段推动其性能提升和应用拓展。

最初，III-V族半导体被提议用于构建Micro-LED显示屏，因为它们具有高发光效率和稳定性。然而，其实际应用面临一些限制。（1）随着像素尺寸的缩小，效率会下降，这使得像素尺寸的下限约为30μm；（2）由于转移技术效率不高，其可扩展性也受到限制。

这些挑战促使人们探索其他材料体系，例如金属卤化物钙钛矿，他们在高分辨率图案化和可扩展制造方面具有极大潜力。

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MILLENNIAL DISPLAY

CsPbBr3钙钛矿的外延生长

Micro-LED应用对材料提出了同时且严格的五项要求：

• 高结晶度以实现高效的发光复合

• 晶体厚度小于微米级，以利于载流子传输

• 无晶粒边界的晶体以避免短路

• 光学平整度以实现均匀发光

• 从外延衬底上快速剥离薄膜且损伤最小

以往的外延方法很难同时满足所有这些要求。

来自中科院/理化所的研究人员实现了钙钛矿薄膜的外延生长，使其能够无缝集成到像素尺寸低至4μm的Micro-LED中。通过利用石墨烯中间层和（0001）取向蓝宝石衬底实现了钙钛矿外延生长的方法。

制备工艺示意图

(左)利用蓝宝石衬底和石墨烯中间层实现钙钛矿外延生长的示意图；

(右)外延薄膜与功能层集成构建发光二极管

外延生长完成后，借助石墨中间层削弱外延层与衬底之间的结合力，通过简单快速的释放过程即可将钙钛矿薄膜从衬底上剥离。这种独立的钙钛矿薄膜可无缝集成到Micro-LED器件中。

研究人员采用化学气相沉积技术实现CsPbBr3钙钛矿的外延生长，首先在多个位置于外延衬底上成核，然后横向生长，最终合并成无晶粒边界薄膜。荧光显微镜图像显示了均匀的光致发光（PL），没有观察到晶粒边界散射。

(左)外延衬底上钙钛矿薄膜的照片；(右)荧光显微镜拍摄图像

为了进一步展示应力弛豫在钙钛矿程外延生长中的优势，通过改变卤化物的化学计量比来进一步调整钙钛矿的成分。

不同成分的钙钛矿薄膜图像和对应的荧光显微镜图像

上图展示了具有不同成分的外延钙钛矿薄膜，对应的钙钛矿带隙范围为3.00至1.94 eV。荧光显微照片显示所有钙钛矿成分的光致发光分布均匀，无光散射现象，表明成功实现了无晶粒边界外延薄膜的外延生长。

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MILLENNIAL DISPLAY

超高分辨率微型发光二极管

受这些高质量外延钙钛矿薄膜的启发，研究人员开始展示其在Micro-LED中的应用。将生长在石墨蓝宝石衬底上的CsPbBr3外延层剥离，然后转移到带有透明电极和空穴传输层的LED衬底上。为了构建微米级像素，在钙钛矿上制作光刻胶图案以隔离每个像素。这种策略能够实现低于10μm的分辨率，而无需直接对钙钛矿进行刻蚀，因为刻蚀不可避免地会引入缺陷和表面损伤。

为了评估光刻过程中钙钛矿可能受到的损害，对光刻前后的外延薄膜进行了TRPL和PLQE测量。原始薄膜和图案化薄膜的PLQE和光生载流子寿命相当，表明在光刻过程中未检测到损伤。这些结果归因于全无机钙钛矿的内在化学稳定性以及光刻胶和显影过程中使用的非极性溶剂。

钙钛矿薄膜的TRPL和PLQE测量

为评估器件性能，首先制备了具有0.04mm2的外延晶体钙钛矿发光二极管，对应像素尺寸为200μm。该LED在亮度为6.0x104cd m-2时的峰值外量子效率(EQE)为16.7%（下图a），最大亮度为4.0x105cdm-2（下图b）。对25个器件的EQE和亮度统计显示，平均值分别为14.1%和1.8x105cd m-2（下图c）。Micro-LED的运行稳定性在200μm像素的器件上进行测量。在初始亮度为1,000cd m-2时，半衰期T50，即亮度衰减至初始值50%所需的时间，可达到9.5小时（下图d）。

Micro-LED的实际应用需要将LED器件与电子背板集成，以实现对每个像素的独立控制。外延钙钛矿薄膜的光电特性和高效转移特性使其能够与最小像素尺寸为16μm的商业化LED背板集成。下图展示了显示面板的照片和器件结构，其中薄膜晶体管用于独立控制每个钙钛矿像素。

显示面板的照片和器件结构示意图

基于转移的外延钙钛矿薄膜，构建了一个50x50像素的Micro-LED显示屏。这些Micro-LED阵列用于显示亮度均匀的静态图像。通过动态独立控制每个像素，进一步展示了这种Micro-LED器件的视频显示能力。

钙钛矿Micro-LED显示的静态图像和视频截图

综上所述，通过钙钛矿外延生长技术，研究人员成功实现了高性能Micro-LED的制备。这种技术不仅解决了传统Micro-LED材料在小尺寸像素化和可扩展性方面的限制，还通过高质量的钙钛矿薄膜实现了高效率、高亮度和高稳定性的显示性能。此外，该技术还展示了与商业化电子背板的兼容性，为未来Micro-LED在高端显示领域的广泛应用奠定了坚实基础。

尽管目前仍面临一些挑战，但随着研究的不断深入，钙钛矿Micro-LED有望在未来显示市场中占据重要地位，为人们带来更加卓越的视觉体验，美能显示也将凭借其专业的检测技术和丰富经验，为钙钛矿Micro-LED技术的优化与质量把控提供坚实支持，助力这一新兴显示技术不断成熟、走向更广阔的市场。原文出处：《Remote epitaxial crystalline perovskites forultrahigh-resolution micro-LED displays》

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