Chế tạo microLED tại Việt Nam với chi phí thấp

Với công nghệ chế tạo sáng tạo, sản phẩm có chi phí sản xuất thấp, đáp ứng yêu cầu cho ứng dụng trong màn hình hiển thị thông minh với độ phân giải cao như thiết bị thực tế ảo, thiết bị truyền tín hiệu, cảm biến y sinh, quang học di truyền.

Phát minh đèn điốt bán dẫn III-nitride (light emitting diode, LED) xanh dương cấu trúc InGaN màng mỏng, ứng dụng tiềm năng trong phát triển nguồn sáng trắng tiết kiệm năng lượng đã nhận được giải Nobel Vật lý năm 2014. Từ đó, vật liệu bán dẫn III-nitride - bao gồm ít nhất một nguyên tố nhóm IIIA như aluminum (Al), gallium (Ga) và indium (In) trong bảng hệ thống tuần hoàn kết hợp với nguyên tố nitơ (N) - đã nhận được nhiều sự quan tâm cho các thiết bị quang điện tử, do những đặc tính điện - quang độc đáo như độ linh động của điện tử cao, vận tốc bão hòa lớn, ổn định hóa học và dẫn nhiệt tốt.

Để ứng dụng LED trong công nghệ màn hình microdisplays (mật độ điểm ảnh cực cao), cần có các đèn LED với kích thước trong khoảng 5×5-100×100 µm² và cường độ sáng >5000 cd/cm² cũng như mật độ điểm cao lớn hơn 4.000 ppi (pixels per inch). Nhiều tập đoàn công nghệ hàng đầu thế giới như Apple, Samsung, Sony, LG… đã đi tiên phong sản xuất đèn LED kích thước micro mét (microLED). MicroLED được đánh giá là công nghệ đột phá, sở hữu các đặc tính như nhẹ hơn, mỏng hơn và hiển thị tốt hơn so với các dòng màn hình hiện nay, có khả năng thay thế OLED và LCD. Tuy nhiên, hầu hết vẫn dựa trên công nghệ màng mỏng (thin-film), do đó hiệu suất vẫn còn hạn chế và giá thành cao.

Quan sát đế microLED (giữa) trên bàn kính hiển vi

Theo sự tiến triển không ngừng của công nghệ, cấu trúc vật liệu nano một chiều (1D nanostructure) ở dạng thanh/sợi/dây nano đã cho thấy sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất quang và độ hoàn màu (color rendering index - CRI) của đèn LED, cũng như kích thước của đèn có thể giảm đến micro-mét (10-300 µm), mở rộng ứng dụng LED trong kỹ thuật chiếu sáng thông minh như tivi siêu mỏng, notebook, thiết bị điện tử đeo/cầm và công nghệ thực tế ảo. So với cấu trúc màng mỏng, microLED thanh nano thể hiện một số ưu điểm khác biệt như giảm phân cực trong tinh thể do ứng suất, giảm mật độ sai hỏng mạng tinh thể do cấu trúc 1D phân tán lực ra bề mặt thành của thanh/sợi/dây nano, vì vậy tính tản nhiệt và hiệu suất phát quang được cải thiện, cho phép tích hợp microLED lên các đế linh hoạt ít dẫn nhiệt và dẫn điện hơn, mở ra nhiều ứng dụng thông minh cho microLED trong tương lai. Một thách thức khác cho microLED là sự sắp xếp và hình dạng đồng đều của các thanh nano cũng như cấu trúc vùng phát quang vẫn còn hạn chế dẫn đến sự phân bố điện tử và lỗ trống không đồng đều, sự tràn điện tử và hiện tượng phát xạ bề mặt, làm giảm hiệu suất quang của microLED.

Vì vậy, Viện Công nghệ Hóa học đã triển khai nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Thiết kế và chế tạo đèn điốt bán dẫn kích thước micro mét cấu trúc InGaN dây nano với hiệu suất phát quang cao ứng dụng trong kỹ thuật trình chiếu thông minh”. Mục tiêu hướng đến là thiết kế mô phỏng và chế tạo thành công microLED với hiệu suất quang cao dựa trên các cấu trúc (Al)InGaN tối ưu và màng nhôm oxit giá thành thấp để điều chỉnh kích thước đồng đều của thanh/dây/sợi nano. Đây cũng là nhiệm vụ nhằm bắt kịp sự phát triển công nghệ màn hình siêu nhỏ (microdisplays) của thế giới.

Mô phỏng cấu trúc thanh nano (Al)InGaN cho microLED

TS Nguyễn Hoàng Duy (chủ nhiệm nhiệm vụ) cho biết, nhóm thực hiện chủ động chế tạo các màng nhôm oxit (anodic alumina oxide - AAO) bằng phương pháp điện hóa, ở mức chi phí thấp. Bằng cách điều chỉnh các điều kiện anốt hóa, các màng AAO đường kính xấp xỉ 3 cm với các bề dày (200-600 nm), đường kính lỗ (35-124 nm) và mật độ lỗ (7x10⁹ - 3x10¹⁰ lỗ/cm²) đã được chế tạo thành công. Ưu điểm của việc sử dụng màng AAO để chế tạo các loại vật liệu nano 1D nằm ở khả năng điều chỉnh kích thước của thanh/sợi/dây nano như ý muốn dựa vào việc điều chỉnh kích thước các lỗ hình trụ của màng. Việc kiểm soát được kích thước của vật liệu nano được xem như là chìa khóa dẫn đến thành công trong cách tiếp cận công nghệ cao với chi phí hợp lý.

Quy trình chế tạo màng nhôm oxit (AAO)

Từ đó, nhóm thực hiện đã chế tạo thành công các linh kiện LED thanh nano phát ánh sáng xanh dương, xanh lá, đỏ và trắng với cấu trúc thanh nano InxGa1-xN/AlGaN (0,15 ≤ x ≤ 0,55) thông qua màng AAO và kỹ thuật MBE (molecular beam epitaxy - kỹ thuật chùm phân tử). Các dãy thanh nano InxGa1-xN/AlGaN hình lục giác với chiều dài khoảng 500 nm và đường kính khoảng 60-130 nm sắp xếp trật tự trên đế Si. Chi phí sản xuất trung bình cho một microLED với kích thước 10x10-100x100 µm² chỉ vào khoảng 100 đồng.

Hình chụp microLED 10x10 µm² dưới kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét

Hình chụp microLED 100x100 µm² dưới kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét

Nhóm thực hiện đã đăng ký bảo hộ sở hữu trí tuệ cho: (1) vật liệu bán dẫn thanh nano không dùng lớp bẫy điện tử và đèn điốt phát quang sử dụng vật liệu này; (2) quy trình sản xuất vật liệu bán dẫn nano phát quang sử dụng màng AAO.

Theo lời TS. Nguyễn Hoàng Duy, cấu trúc 1D sở hữu các tính chất quang - điện đặc biệt vì electron chỉ tự do di chuyển trong 1 chiều dọc của thanh nano. Ngoài ra, thanh nano có đường kính nhỏ, nên khi tổng hợp vật liệu InGaN/GaN với hàm lượng In cao, ứng suất biến dạng của cấu trúc do độ lệch mạng của hai vật liệu có thể giải phóng ra ngoài dễ dàng. Nhờ khả năng giải phóng ứng suất trong tinh thể cao, cấu trúc thanh nano có tính chất vật liệu cao, ít sai hỏng mạng tinh thể, cải thiện thành phần hợp kim và cho phép tổng hợp trên các loại đế thông dụng như silic mà vẫn giữ được cấu trúc tinh thể mong muốn. Do đó các III-nitride LED phát các bước sóng khác nhau có thể được chế tạo dựa trên cấu trúc thanh nano.

TS Nguyễn Hoàng Duy cho biết thêm, việc tối ưu hóa thành phần In cũng như điều khiển được kích thước thanh nano mong muốn để đạt được hiệu suất quang cao nhất với chi phí thấp nhất là rất quan trong công nghiệp sản xuất LED. Hơn nữa mức độ đồng đều và độ tin cậy của các thanh nano trong cùng một lần chế tạo phải cao. Cường độ quang của linh kiện thanh nano sử dụng AAO cao hơn nhiều so với các linh kiện cùng loại với thanh nano phát triển ngẫu nhiên.

Kết quả, nhóm thực hiện hợp tác với nhóm nghiên cứu của GS. Nguyễn Phạm Trung Hiếu (Viện Công nghệ New Jersey, Hoa Kỳ) đã chế tạo thành công microLED cấu trúc thanh nano sử dụng màng AAO đồng đều, hiển thị nhiều màu sắc, hiệu suất quang cao. Sản phẩm có chi phí sản xuất cạnh tranh, là ứng cử viên tiềm năng cho ứng dụng trong màn hình hiển thị thông minh với độ phân giải cao như thiết bị thực tế ảo (AR/VR), thiết bị truyền tín hiệu (visible light communication), cảm biến y sinh (biomedical sensors), quang học di truyền (optogenetics). Đây cũng sẽ là công nghệ tiềm năng góp phần nâng cao sự phát triển kinh tế khi được thương mại hóa.

Về hướng phát triển tiếp theo, nhóm thực hiện kiến nghị tiếp tục nghiên cứu đồng nhất cấu trúc lõi - vỏ để thụ động hiệu quả bề mặt thanh nano, làm tăng công suất và thời gian sử dụng cho microLED; phát triển thanh nano InGaN trong môi trường giàu N₂ plasma để tăng nhiệt độ chế tạo mà không làm giảm thành phần Indium. Ngoài ra, màng AAO cần được chế tạo với đường kính phù hợp với kích thước của tấm wafer.

TS Nguyễn Hoàng Duy báo cáo kết quả thực hiện nhiệm vụ

Đáng chú ý, dù kết quả của nhiệm vụ vừa hình thành, nhưng hiện đã có doanh nghiệp đề nghị hợp tác với Sở KH&CN TP.HCM và nhóm triển khai nhiệm vụ về việc nhận chuyển giao công nghệ chế tạo microLED bằng kỹ thuật MBE và sử dụng màng AAO. Dự kiến, dự án tiếp nhận công nghệ này có mức đầu tư ban đầu không dưới 20 triệu USD, bao gồm dây chuyền máy móc, thiết bị và kinh phí R&D hoàn thiện.