三星：定制离子注入，剑指AR眼镜

撰稿 | 王玉 ( 哈工大，博士生)

随着众多高科技应用的不断发展，如高动态范围显示器、电视、平板电脑，智能手表，高亮度平视显示器和高亮度、分辨率增强现实（AR）（名词解释>>>）眼镜等对显示器的要求也在逐日上升。

尽管起步缓慢，但“AR眼镜”的概念有望在未来几年内实现消费产品和专业产品的大量市场渗透。对于AR眼镜来说，为了实现虚拟和现实信息的完美合并，一般需要显示器具有较高的动态亮度范围（1~104 nit）、高分辨率（>1920×1080 ppi）以及紧凑的尺寸（<0.5 inch）。

AR眼镜艺术效果图（图源：Light新媒体）

考虑到OLED亮度范围较小和液晶硅技术对比度较低的问题，目前最有潜力可以满足这些严格要求的显示器便是高效率、高亮度和强稳定性的无机III-V族Micro-LEDs（μLEDs）。

III族氮化物材料自诞生之日起便是光子学领域的一个伟大成就，2014年，赤崎勇、天野浩和中村修二就是因为开创性的提出了GaN蓝色LED而被授予诺贝尔物理学奖。因此，关于将半导体材料系统的光发射扩展到可见光和紫外区域的研究是极具潜力的，并且相比于OLED、硅基液晶和激光二极管扫描等类型的显示器，无机μLED显示器可以达到最高水平的亮度和动态范围，这对于日光环境下的透明眼镜是至关重要的。

赤崎勇（日本名城大学）、天野浩（日本名古屋大学）、中村修二（美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校）三人获得2014年诺贝尔物理学奖（图源：诺贝尔奖官网）

拓展阅读：

《Nature | 三星：蓝光QD-LED新革命》

《Science | 三星：像素密度高达1万的OLED屏》

《Nature Nanotechnology | 三星：全固态超构表面3D激光雷达》

然而，对于μLED来说，现阶段的技术难题是：在实现小型化（亚微米尺寸）的同时还满足高分辨率的要求。

基于此，韩国三星综合技术院的Jinjoo Park和Jun Hee Choi等人利用定制离子注入方案来制造中亚微米尺度的高效、电驱动像素化的 InGaN micro-LEDs，相当于每英寸 8,500 个像素(ppi) (RGB)。该技术为制造基于AR眼镜的高性能 μLED 显示器铺平道路。

（图源：Nature Photonics）

该成果以 Electrically driven mid-submicrometre pixelation of InGaN micro-light-emitting diode displays for augmented-reality glasses 为题发表在 Nature Photonics。

如何在亚微米尺寸上实现高效的小尺寸像素化？

其中像素化是指通过一定的工艺及方法制备一系列可以被单独控制的光发射器（像素），且保证它们在相邻位置处不会发生串扰。目前像素化主要有两大方案：台面刻蚀和离子注入。

台面刻蚀

台面刻蚀是通过物理方法去除p-GaN和多个量子阱(MQW)以实现n-GaN表面的电接触，被广泛用于单LED器件的制造中，也被认为是下一代μLED的像素化方案。然而，这种方案会导致许多刻蚀表面暴露，从而产生大量的非辐射复合表面，并显著降低其效率。

离子注入

离子注入是通过离子轰击目标区域使其电阻提高几个数量级，从而在像素之间提供电绝缘以实现阵列的像素化方案。这种方案不需要暴露任何表面便可以实现平面几何形状的像素化，这也是Jun Hee Choi等人选用离子注入方案的原因。

但这种方案也会由于掩模边缘处的离子散射和掩模下方离子的横向通道而在掩模下的区域产生一定程度的离子损伤。为了最小化损伤的程度，研究人员对离子的类型、能量、倾斜角和掩膜厚度进行了广泛的参数优化，即定制离子注入方案。

基于此方案，通过实验获得了300~8500ppi的蓝色μLED阵列，并且在所有像素下的阵列都具有较强的对比度和均匀度，最重要的是这种方案下的μLED阵列亮度极高，其中300ppi对应的亮度为55835nit，8500ppi对应的亮度为7440nit，这便是离子注入像素化方案在AR眼镜等高像素密度显示器方面的重要优势。

300~8500ppi的荧光光致发光（PL）显微镜图像以及不同像素的对比图（图源：Nature Photonics）

此外，由于这种方案下的μLED阵列为平面几何形状，因此很容易将其通过单片或键合等方式集成到各种高分辨驱动电路以及显示器中。为了展示其集成能力，研究人员将μLED阵列分别与低温多晶硅（LTPS）像素电路和量子点颜色转换器（QD C/C）进行集成，成功获得了像素高达2000ppi的单色显示器和300ppi的RGB显示器。目前他们正在开发用于QD C/Cs高分辨率图案化的背面曝光技术，并预计未来可实现像素高达5000ppi以上的QD显示器。

综上所述，定制离子注入像素化方案既能满足显示器小型化的要求，又能达到足够高的分辨率，必将成为AR眼镜全彩超高清微型显示器的理想解决方案之一。

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). 

论文地址：

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

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编辑 | 赵阳

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