三星：定制離子注入，劍指AR眼鏡

撰稿 | 王玉 ( 哈工大，博士生)

隨著眾多高科技應(yīng)用的不斷發(fā)展，如高動(dòng)態(tài)范圍顯示器、電視、平板電腦，智能手表，高亮度平視顯示器和高亮度、分辨率增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）（名詞解釋>>>）眼鏡等對(duì)顯示器的要求也在逐日上升。

盡管起步緩慢，但“AR眼鏡”的概念有望在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)消費(fèi)產(chǎn)品和專業(yè)產(chǎn)品的大量市場(chǎng)滲透。對(duì)于AR眼鏡來(lái)說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)信息的完美合并，一般需要顯示器具有較高的動(dòng)態(tài)亮度范圍（1~104 nit）、高分辨率（>1920×1080 ppi）以及緊湊的尺寸（<0.5 inch）。

AR眼鏡藝術(shù)效果圖（圖源：Light新媒體）

考慮到OLED亮度范圍較小和液晶硅技術(shù)對(duì)比度較低的問(wèn)題，目前最有潛力可以滿足這些嚴(yán)格要求的顯示器便是高效率、高亮度和強(qiáng)穩(wěn)定性的無(wú)機(jī)III-V族Micro-LEDs（μLEDs）。

III族氮化物材料自誕生之日起便是光子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)偉大成就，2014年，赤崎勇、天野浩和中村修二就是因?yàn)殚_(kāi)創(chuàng)性的提出了GaN藍(lán)色LED而被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。因此，關(guān)于將半導(dǎo)體材料系統(tǒng)的光發(fā)射擴(kuò)展到可見(jiàn)光和紫外區(qū)域的研究是極具潛力的，并且相比于OLED、硅基液晶和激光二極管掃描等類型的顯示器，無(wú)機(jī)μLED顯示器可以達(dá)到最高水平的亮度和動(dòng)態(tài)范圍，這對(duì)于日光環(huán)境下的透明眼鏡是至關(guān)重要的。

赤崎勇（日本名城大學(xué)）、天野浩（日本名古屋大學(xué)）、中村修二（美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校）三人獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（圖源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

拓展閱讀：

《Nature | 三星：藍(lán)光QD-LED新革命》

《Science | 三星：像素密度高達(dá)1萬(wàn)的OLED屏》

《Nature Nanotechnology | 三星：全固態(tài)超構(gòu)表面3D激光雷達(dá)》

然而，對(duì)于μLED來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段的技術(shù)難題是：在實(shí)現(xiàn)小型化（亞微米尺寸）的同時(shí)還滿足高分辨率的要求。

基于此，韓國(guó)三星綜合技術(shù)院的Jinjoo Park和Jun Hee Choi等人利用定制離子注入方案來(lái)制造中亞微米尺度的高效、電驅(qū)動(dòng)像素化的 InGaN micro-LEDs，相當(dāng)于每英寸 8,500 個(gè)像素(ppi) (RGB)。該技術(shù)為制造基于AR眼鏡的高性能 μLED 顯示器鋪平道路。

（圖源：Nature Photonics）

該成果以 Electrically driven mid-submicrometre pixelation of InGaN micro-light-emitting diode displays for augmented-reality glasses 為題發(fā)表在 Nature Photonics。

如何在亞微米尺寸上實(shí)現(xiàn)高效的小尺寸像素化？

其中像素化是指通過(guò)一定的工藝及方法制備一系列可以被單獨(dú)控制的光發(fā)射器（像素），且保證它們?cè)谙噜徫恢锰幉粫?huì)發(fā)生串?dāng)_。目前像素化主要有兩大方案：臺(tái)面刻蝕和離子注入。

臺(tái)面刻蝕

臺(tái)面刻蝕是通過(guò)物理方法去除p-GaN和多個(gè)量子阱(MQW)以實(shí)現(xiàn)n-GaN表面的電接觸，被廣泛用于單LED器件的制造中，也被認(rèn)為是下一代μLED的像素化方案。然而，這種方案會(huì)導(dǎo)致許多刻蝕表面暴露，從而產(chǎn)生大量的非輻射復(fù)合表面，并顯著降低其效率。

離子注入

離子注入是通過(guò)離子轟擊目標(biāo)區(qū)域使其電阻提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而在像素之間提供電絕緣以實(shí)現(xiàn)陣列的像素化方案。這種方案不需要暴露任何表面便可以實(shí)現(xiàn)平面幾何形狀的像素化，這也是Jun Hee Choi等人選用離子注入方案的原因。

但這種方案也會(huì)由于掩模邊緣處的離子散射和掩模下方離子的橫向通道而在掩模下的區(qū)域產(chǎn)生一定程度的離子損傷。為了最小化損傷的程度，研究人員對(duì)離子的類型、能量、傾斜角和掩膜厚度進(jìn)行了廣泛的參數(shù)優(yōu)化，即定制離子注入方案。

基于此方案，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了300~8500ppi的藍(lán)色μLED陣列，并且在所有像素下的陣列都具有較強(qiáng)的對(duì)比度和均勻度，最重要的是這種方案下的μLED陣列亮度極高，其中300ppi對(duì)應(yīng)的亮度為55835nit，8500ppi對(duì)應(yīng)的亮度為7440nit，這便是離子注入像素化方案在AR眼鏡等高像素密度顯示器方面的重要優(yōu)勢(shì)。

300~8500ppi的熒光光致發(fā)光（PL）顯微鏡圖像以及不同像素的對(duì)比圖（圖源：Nature Photonics）

此外，由于這種方案下的μLED陣列為平面幾何形狀，因此很容易將其通過(guò)單片或鍵合等方式集成到各種高分辨驅(qū)動(dòng)電路以及顯示器中。為了展示其集成能力，研究人員將μLED陣列分別與低溫多晶硅（LTPS）像素電路和量子點(diǎn)顏色轉(zhuǎn)換器（QD C/C）進(jìn)行集成，成功獲得了像素高達(dá)2000ppi的單色顯示器和300ppi的RGB顯示器。目前他們正在開(kāi)發(fā)用于QD C/Cs高分辨率圖案化的背面曝光技術(shù)，并預(yù)計(jì)未來(lái)可實(shí)現(xiàn)像素高達(dá)5000ppi以上的QD顯示器。

綜上所述，定制離子注入像素化方案既能滿足顯示器小型化的要求，又能達(dá)到足夠高的分辨率，必將成為AR眼鏡全彩超高清微型顯示器的理想解決方案之一。

文章信息：

Park, J., Choi, J.H., Kong, K. et al. Electrically driven mid-submicrometre pixelation of InGaN micro-light-emitting diode displays for augmented-reality glasses. Nat. Photonics 15, 449–455 (2021). 

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00783-1

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編輯 | 趙陽(yáng)

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