导读

近期，南京大学庄喆、陶涛、刘斌、张荣团队联合电科55所、南京国兆光电科技有限公司在Light: Advanced Manufacturing发表了题为“Towards High-Resolution and High-Brightness Uniformity Near-Eye Display: Heterogeneous Integration of GaN-based Μicro-LED on a Custom Si CMOS Platform”的研究论文。

研究团队通过晶圆键合异质集成技术，将绿光蓝宝石基氮化镓（GaN）外延片与定制的硅基CMOS背板一体化制备，成功研制0.99英寸高分辨率近眼显示屏原型样机。通过高精度像素级电流调控电路与全套优化的晶圆工艺协同，解决了传统Micro-LED近眼显示 “大尺寸、高像素密度、亮度均匀性难以兼顾” 的行业瓶颈，原型屏综合亮度、均匀性、视场角性能达到同期最优水平，为AR/VR近眼显示规模化制造提供全新可行路线。

研究背景

Micro-LED凭借超高亮度、高对比度、高可靠性优势，被公认为下一代AR/VR近眼显示技术的有力候选。当前近眼设备对显示面板提出超高分辨率、高亮度、宽视场、均匀发光等严苛指标需求，然而，随着像素密度和面板尺寸扩大，像素间电流分布不均和制程差异带来的亮度不一致成为亟待解决的问题。

现有制备方案存在显著技术短板：主流倒装芯片键合工艺依赖超高精度凸点对位，像素发光区域被电极占用，难以持续提升像素密度；像素密度与显示面板尺寸存在天然制衡关系，大尺寸高PPI面板极易出现像素电流不均、亮度与色差、像素缺陷等问题；目前鲜有研究系统攻关全屏幕亮度均匀性这一商用落地关键指标，制约Micro-LED近眼显示产业化。

本研究旨在通过创新集成方案，突破这一瓶颈。通过晶圆键合技术实现GaN与CMOS晶圆异质集成，再从背面光刻定义像素，突破倒装工艺尺寸限制。但该路线长期面临晶圆翘曲、键合空洞、刻蚀漏电、像素电流离散等难题，同时缺少适配高像素阵列的高精度CMOS驱动电路设计。针对以上痛点，本研究从驱动电路架构、晶圆键合工艺、芯片后道制备全流程开展系统性优化，同步实现近1英寸、超高像素密度、优异发光均匀性的绿光Micro-LED微型显示屏。

图1：基于CMOS异质集成的0.99英寸高均匀性Micro-LED示意图。图源：南京大学

创新突破

该研究团队自研了专用硅基CMOS驱动芯片，采用片上及外置混合驱动架构，搭载数字PWM灰度调制方案，规避了模拟驱动电流非线性带来的亮度偏差：像素单元基于SRAM静态存储结构，漏电流极低；单像素电流仿真线性度优异，99.7%像素电流偏差控制在±0.2%以内；整屏像素电流分布仿真偏差＜10%，从驱动底层根源抑制屏幕明暗不均问题。所设计的驱动电路架构和CMOS驱动能力仿真结果如图2所示。

图2：驱动电路架构和CMOS驱动能力仿真图

研究团队选择了优化晶圆键合及Micro-LED阵列制备全套工艺，以大幅降低界面缺陷与像素漏电。通过建立4英寸晶圆键合工艺参数库，确定最优的Au-Sn键合温度与压力工艺窗口，有效缓解了GaN与硅晶圆的键合热失配问题，通过，最终器件的像素漏电流控制在19 pA以内，键合界面孔洞密度低，像素良率达93.24%，单像素截面外延层结构完整无损伤。Micro-LED屏幕在0.5 A?cm?² 电流密度下峰值亮度超20000 cd?m?²，面内亮度均匀度高达90.12%，水平/垂直方向视场角均超过120°，支持8-bit 256级灰度、60 Hz刷新率，可清晰还原图像、视频等精细画面；与已报道的同类CMOS驱动Micro-LED相比，该工作同时实现了更大的显示面积、更高单位电流密度下的面亮度和更优的亮度均匀性。

图3：0.99英寸Micro-LED屏幕的显示性能、演示及对比

总结与展望

该研究打通 “定制CMOS驱动芯片-晶圆键合异质集成-高精度Micro-LED阵列制备” 完整技术链路，通过电路与工艺双向协同优化，打破Micro-LED近眼显示 “尺寸-分辨率-亮度均匀性” 三角制衡，成功制备兼具大尺寸、高 PPI、高亮度、高均匀性的绿光微型显示原型。后续团队将进一步优化散热结构、拓展RGB全彩像素体系，推动高性能Micro-LED近眼显示设备走向商用落地，赋能元宇宙、穿戴式智能终端等下一代光电显示产业。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2026.103