用于MicroLED的胶体量子点增强颜色转换层

本文介绍了我们在MicroLED胶体量子点增强彩色转换层方面的最新进展。如何部署胶体量子点的不同方法可以被讨论和回顾。可以看出使用颜色转换层的必要性，并从测量的光谱中计算出该层的颜色转换效率。一个亚像素大小的5微米的胶体量子点图案可以证明在阵列格式。

关键词：胶体量子点，microled，MiniLED，异质集成

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1.介绍

在过去的十年里，我们看到了信息显示器的上升趋势，它 不仅提供了娱乐，而且还提供了前所未有的功能。显示器 可以应用于电视机、电脑，甚至是火车站的电话亭。该领

域引进了多种技术，包括等离子体显示面板、液晶、有机发光器件等。在这些技术中，基于半导体的微/微型发光二极管(MicroLED)近年来引起了广泛的关注。由于其潜在的大批量生产能力和高性能，它们被视为下一代[1]-[3]的产品。在显示器中使用自发射和独立可寻址的像素可以提供高度动态和生动色彩的观看体验，高对比度可以超过大多数现有技术。对于先进显示器的发展，除了高度饱和的颜色，精细像素或高分辨率是非常理想的。在微/迷你LED领域中，很明显，芯片的大小可以直接与每英寸像素(PPI)指数相关，这通常是显示分辨率的关键数字。通常我们会处理芯片的大小，小于100微米的MicroLED等作为迷你led。为了实现全色方案，可以采用两种不同的方法：传质和颜色转换[4]，[5]。在传质过程中，不同颜色的LED芯片可以机械地从原始芯片中去除基底，并移动到一个共同的基底中。这种异质工艺可以降低对外延生长的要求，优化每种颜色的芯片设计。然而，传质也存在一些局限性。其中一个关键的问题来自于较小的芯片转移的困难。虽然现在可以制造小于5μm[6]的微型LED芯片，但很难将微小器件转移到不同的基底上，更

不用说这项工作所要求的高精度了。在过去，8个μm乘15个μm的设备已经被证明，估计阵列大小为100乘100[8]。我们在CES2020上展示了数十微米大小的全彩MicroLED转移到[4]，[5]印刷电路板上，并显示了一个功能性全彩显示器（30厘米乘30厘米）。可能缓解这种情况的解决方案之一，是使用颜色转换层将高能光子（蓝色）转换为低能量光子

（红色和绿色）。这样，MicroLED阵列就可以保持为单色和单片制造。本方案不需要任何传质技术。几个研究小组(包括ITRI)也展示了这种技术[9]-[11]。对于颜色转换的材料，需要具有较强的照明能力。为此目的，已经提出了几种候选分子：荧光染料分子、共轭聚合物和胶体量子点(CQDs)[12]-[19]。其中，胶体量子点一直是几十年来的研究热点。它们是由化学反应合成的，通常由纳米尺度的半导体制成。光子发射的非凡能力使它们在未来一代的显示设备中非常有前景。在过去，大多数研究集中在将它们与单独个LED芯片混合，用于固态照明应用[20]。我们看到越来越多的需求使用他们显示天[16]，[21]-[23]。然而，形成这些纳米大小的粒子的图案仍然是一项难以克服的任务。在这项研究中，我们将展示我们在MicroLED的颜色转换层上的最新结果。小到5微米的量子点图案可以制造用于微显示应用，并将用于下一代高清晰度显示技术

2.设计与理论

在本节中，我们将讨论关于这些颜色转换层设计的一些基本思想和理论。它是必须有一个可行的结构和优化它，以满足显示的要求。由于颜色转换材料的脆性，基板成为一个重要的组成部分。本文还将回顾一下表征这些转换层的方法。

2.1.针对彩色转换显示器的设备设计

颜色转换层的设计通常有两个问题：转换效率和工艺集成。在转换效率方面，它取决于我们所选择的量子点材料。目前，大多数市售产品都是以镉为基础的。e.II-VI族化

合物半导体)金属量子点。它们由硫化镉、硒化镉或CdTe等组成，其发射颜色有从蓝色到红外线的广泛覆盖。在过程集成方面，主要的重点是促进装配过程，提高转换层和

光子提取的有效性。在一个基本的概念中，如图所示。1(a)，背景白色光源，可以从面板侧面的下方或通过导光引导，通过表面的颜色转换层适当过滤，可以获得三种颜色。这种基本的设计可以看到在当前的液晶技术，通过安装滤色器作为转换层，它已经用于生产。然而，在目前的LCD方案中，表面滤色器可以大大降低亮度，因此不利于节能目的。通过引入量子点，滤色器可以更有效，并提高合成的RGB输出。量子点也可以用于获得更好的结果，白光源过滤前由于其高度饱和的颜色[16]。

同时，颜色转换层可以与额外的光学层相结合，以提高泵浦光子和量子点输出的利用率。这个想法可以在图中可视化。1(b).光学层通常由反射涂层制成，如分布式布拉格反射器(DBR)，以反弹高能光子，而量子点光子可以逃逸。玻璃基板可以机械地支持转换层，并为来自底部发射器的蓝色或紫外光子提供一个路径。第三种设计，如图所示。1(c)，翻转颜色转换层以面对发射器阵列。这种设计促进了光子泵浦，缩短了蓝色光子在到达颜色转换层之前的光程。在此设计中，可以预先放置传统的或改进的滤色层，以减少颜色转换后残留的蓝光。在过去，许多小组展示了类似的设计，如figs。1(b)和(c)[10]，[24]，和各种设计可以在[25]中找到。由于设备的细节不同，可能需要进行一些调整。

2.2理论

在将所有组件放在一起之后，我们必须正确地描述颜色转换层的有效性。需要一些相关的计算程序来确定颜色转换层的最佳设计。其中一个重要的问题是量子点混合物的适

当厚度。量子点层的总厚度会影响光的转换效率和显示器的颜色质量，因此需要注意。无论量子点是直接分配还是与聚合物和树脂预混合用于其他目的，都必须考虑量子点

的强吸收和发射效率。这里在图中设置了一个简单的一维模型。2.提供初步评估。在填充量子点的结构中，假设厚度为d，入射的蓝色光子来自左侧，我们预计量子点层中

的蓝色光子强度会由于吸收(α蓝色).在位置x处，我们有一个无穷小的小QDdx区域，它吸收蓝色光子并以a%的百分比重新发射红色光子。同时，发射的红光子也略微被量子

点本身吸收，这对应于α的吸收系数红色的.这两种效应的结合可以是

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Colloidal Quantum Dot Enhanced Color Conversion Layer for Micro LEDs.pdf