L’architecture micro-LED empilée verticalement améliore les affichages

CAMBRIDGE, Mass., 15 février 2023 – Une équipe internationale de chercheurs et d’ingénieurs a développé une approche pour rendre les écrans, tels que ceux de la réalité augmentée et virtuelle (AR/VR), plus nets et sans défaut. Les chercheurs ont conçu une architecture dans laquelle ils ont empilé des LED rouges, vertes et bleues dans une formation pour créer des pixels verticaux multicolores au lieu de placer les diodes côte à côte dans un patchwork horizontal.

Chaque pixel empilé a généré la gamme complète de couleurs commerciales. Les pixels microscopiques, ou micro-LED (µLED), mesurent chacun environ 4 μm de large. Les pixels peuvent être emballés à une densité de plus de 5000 pixels par pouce.

Le développement de tailles de pixels plus petites a permis d’intégrer davantage de pixels dans les appareils pour améliorer la qualité de l’affichage. Cependant, il y a une limite à la façon dont les petites LED peuvent être fabriquées sans affecter les performances, et, tout comme les transistors informatiques, les LED atteignent une limite à leur taille tout en fonctionnant efficacement. Dans les écrans à courte portée, tels que ceux que l’on trouve dans les appareils AR/VR, une densité de pixels limitée peut dégrader l’affichage.

Les ingénieurs du MIT et leurs collègues ont développé un moyen de créer des écrans plus nets et sans défaut. Au lieu de modeler des diodes rouges, vertes et bleues côte à côte dans un patchwork horizontal, l’équipe a inventé un moyen d’empiler les diodes pour créer des pixels verticaux multicolores. Avec l’aimable autorisation de Younghee Lee.

Les µLED inorganiques présentent un potentiel pour être plus performantes, nécessitent moins d’énergie et durent plus longtemps que les LED organiques (OLED) qui sont actuellement la technologie d’affichage leader. Mais la fabrication de µLED nécessite que des pixels microscopiques de rouge, de vert et de bleu soient cultivés sur des tranches séparées, puis placés avec précision sur une plaque, dans un alignement exact les uns avec les autres.

« Cette fabrication pick-and-place est très susceptible de désaligner les pixels à très petite échelle », a déclaré Jeehwan Kim, professeur au MIT.

De plus, si des pixels ne sont pas à leur place, l’ensemble de l’appareil doit être mis au rebut pour éviter de ruiner l’affichage complet.

Les chercheurs ont développé un moyen potentiellement moins coûteux de fabriquer des µLED qui ne nécessitent pas d’alignement précis pixel par pixel. L’approche est basée sur une méthode précédemment développée pour développer et décoller un matériau monocristallin 2D parfait à partir de tranches de silicium et d’autres surfaces. La technique de transfert de couche 2D à base de matériaux permet la croissance de LED RVB d’une épaisseur proche du sous-micron sur des substrats 2D revêtus de matériau via une épitaxie à distance ou van der Waals et une libération mécanique et un empilement des LED, suivis d’une fabrication descendante.

En utilisant cette approche, appelée transfert de couche à base de matériau 2D (2DLT), les chercheurs ont développé des membranes ultrafines de LED rouges, vertes et bleues. Ils ont décollé les membranes LED de leurs tranches de base et les ont empilées, en superposant des membranes rouges, vertes et bleues. Les chercheurs ont ensuite divisé les empilements de membranes en motifs de minuscules pixels verticaux aussi petits que 4 μm de large.

« Dans les écrans conventionnels, chaque pixel rouge, vert et bleu est disposé latéralement, ce qui limite la taille de chaque pixel », a déclaré le chercheur Jiho Shin. « Parce que nous empilons les trois pixels verticalement, en théorie, nous pourrions réduire la zone de pixels d’un tiers. »

Pour démontrer leur approche, les chercheurs ont fabriqué un pixel LED vertical et ont montré qu’ils pouvaient produire différentes couleurs dans un seul pixel en modifiant la tension appliquée à chacune des membranes rouge, verte et bleue du pixel.

« Si vous avez un courant plus élevé vers le rouge et plus faible vers le bleu, le pixel apparaîtra rose, et ainsi de suite », a déclaré Shin. « Nous sommes en mesure de créer toutes les couleurs mélangées, et notre écran peut couvrir près de l’espace colorimétrique commercial disponible. »

Jusqu’à présent, l’équipe a montré qu’elle peut stimuler une structure individuelle pour produire le spectre complet des couleurs. La prochaine étape consistera à créer un réseau de nombreux pixels µLED verticaux.

« Vous avez besoin d’un système pour contrôler 25 millions de LED séparément », a déclaré Shin. « Ici, nous n’avons que partiellement démontré cela. »

Selon Kim, le travail de l’équipe à ce jour représente la solution ultime pour les petits écrans comme les montres intelligentes et les appareils de réalité virtuelle qui nécessitent des pixels hautement densifiés pour créer des images vives. À la connaissance des chercheurs, les µLED empilées verticalement ont atteint la densité de matrice la plus élevée et la plus petite taille signalées à ce jour. La plus petite hauteur d’empilement d’environ 9 µm est le facteur clé de la densité record du réseau µLED, ont-ils déclaré.

La recherche a été publiée dans Nature (www.doi.org/10.1038/s41586-022-05612-1).