以下將通過淺顯易懂的科普文章為大家逐次介紹micro-LED技術(shù)的發(fā)展歷史、驅(qū)動方式、彩色化、發(fā)展趨勢等內(nèi)容，力圖通過有限的文字使大家對micro-LED有一個初步的認識。

    LED技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近三十年，最初只是作為一種新型固態(tài)照明光源，之后雖應用于顯示領(lǐng)域，卻依然只是幕后英雄——背光模組。如今，LED逐漸從幕后走向臺前，迎來最蓬勃發(fā)展的時期。如今它已多次出現(xiàn)在各種重要場合，在顯示領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。

▲圖1  LED在 ①鳥巢 ②水立方 ③上海世博會上的應用

    LED之所以能夠成為當前的關(guān)注焦點，主要歸功于它許多得天獨厚的優(yōu)點。它不僅能夠自發(fā)光，尺寸小，重量輕，亮度高，更有著壽命更長，功耗更低，響應時間更快，及可控性更強的優(yōu)點。這使得LED有著更廣闊的應用范圍，并由此誕生出更高科技的產(chǎn)品。

▲圖2  LED 大尺寸顯示屏（分辨率較低）

▲圖3  8×8 LED陣列與micro-LED陣列的對比

    如今，LED大尺寸顯示屏已經(jīng)投入應用于一些廣告或者裝飾墻等。然而其像素尺寸都很大，這直接影響了顯示圖像的細膩程度，當觀看距離稍近時其顯示效果差強人意。此時，micro-LED display 應運而生，它不僅有著LED的所有優(yōu)勢，還有著明顯的高分辨率及便攜性等特點。

    當前micro-LED display的發(fā)展主要有兩種趨勢。一個是索尼公司的主攻方向——小間距大尺寸高分辨率的室內(nèi)/外顯示屏。另一種則是蘋果公司正在推出的可穿戴設(shè)備（如 Apple Watch），該類設(shè)備的顯示部分要求分辨率高、便攜性強、功耗低亮度高，而這些正是micro-LED的優(yōu)勢所在。

    Micro-LED display 已經(jīng)發(fā)展了十數(shù)年，期間世界上多個項目組發(fā)布成果并促進著相關(guān)技術(shù)進一步發(fā)展。例如，2001年日本Satoshi Takano團隊公布了他們的研究的一組micro-LED陣列。

    該陣列采用無源驅(qū)動方式，且使用打線連接像素與驅(qū)動電路，并將紅綠藍三個LED芯片放置在同一個硅反射器上，通過RGB的方式實現(xiàn)彩色化。該陣列雖初見成效，但也有著不容忽視的缺點，其分辨率與可靠性都還很低，不同LED的正向?qū)妷翰顒e比較大[1]。

    同年，H. X. Jiang團隊也同樣做出了一個無源矩驅(qū)動的10×10 micro-LED array。這個陣列創(chuàng)新性的使用四個公共n電極和100個獨立p電極。并采用復雜的版圖設(shè)計以盡量最優(yōu)化連線布局。雖然顯示效果有一定的進步，但沒有解決集成能力低的問題[2]。

▲圖4  H. X. Jiang團隊的10×10 陣列連線布局

    另一個比較突出的成果是在2006年由香港科技大學團隊公布的。同樣采用無源驅(qū)動，使用倒裝焊技術(shù)集成Micro-LED 陣列[3]。但是同一行像素的正向?qū)妷阂膊顒e比較大，而且當該列亮起的像素數(shù)目不同時，像素的亮度也會受到影響，亮度的均勻性還不夠好。

▲圖5  香港科技大學團隊成果展示

    2008年，Z. Y. Fan團隊公布另一個無源驅(qū)動的120×120的微陣列，其芯片尺寸為3.2mm×3.2mm，像素尺寸為20×12μm，像素間隔為22μm。尺寸方面已經(jīng)明顯得到優(yōu)化，但是，依然需要大量的打線，版圖布局仍然十分復雜[4]。

    而同年Z. Gong團隊公布的微陣列，依然采用無源矩陣驅(qū)動，并使用倒裝焊技術(shù)集成。該團隊做出了藍光（470nm）micro-LED陣列和UV micro-LED（370nm）陣列，并成功通過UV LED陣列激發(fā)了綠光和紅光量子點證明了量子點彩色化方式的可行性[5]。

▲圖6 UV micro-LED 陣列    

    ▲ 圖7 Micro-LED 陣列與Si-CMOS的集成

    此外，在該年，B. R. Rae 團隊成功集成了 Si-CMOS 電路，該電路可為UV LED提供合適的電脈沖信號，并集成了SPAS （single photo avalanche diode ）探測器，主要應用于在便攜式熒光壽命讀寫器。然而其驅(qū)動能力比較弱，且工作電壓很高[6]。

    2009年，香港科技大學Z. J. Liu所在團隊利用UV micro-LED陣列激發(fā)紅綠藍三色熒光粉，得到了全彩色的微LED顯示芯片[7]。2010年該團隊分別利用紅綠藍三種LED外延片制備出360 PPI的微LED顯示芯片[8]，并把三個芯片集成在一起實現(xiàn)了世界上首個去背光源化的全彩色微LED投影機[9]。

▲圖8  世界上首個去背光源的全彩色micro-LED投影機

    之后，Z. J. Liu所在的香港科技大學團隊與中山大學團隊合力將微LED顯示的分辨率提高到1700 PPI，像素點距縮小到12微米，采用無源選址方式+倒裝焊封裝技術(shù)[10]。與此同時他們還成功制備出分辨率為846 PPI的WQVGA 有源選址微LED顯示芯片，并在該芯片中集成了光通訊功能[11]。

▲圖9 1700 PPI micro-LED微顯示芯片

    這些僅是micro-LED發(fā)展歷史中比較重要的一些成果。之后，關(guān)于micro-LED的探索不斷深入，更多的進展不斷被公布，包括進一步減小尺寸，提高亮度的均勻性等，關(guān)于其驅(qū)動方式，制備工藝及彩色化的實現(xiàn)等方面也有著諸多討論，這些將在后續(xù)系列中進行介紹。

    作者：劉召軍 張珂

    光電集成實驗室（EPIL）

    中山大學卡內(nèi)基梅隆大學聯(lián)合工程學院（JIE）

    廣東順德中山大學卡內(nèi)基梅隆大學國際聯(lián)合研究院（JRI）

    中山大學電子與信息工程學院（SEIT）

    參考文獻：

    [1].Satoshi Takano, T. IEE Japan, Vol. 121-E, No.8, 2001.

    [2].H. X. Jiang, Appl. Phys. Lett., Vol. 78, No.9, 26 February 2001.

    [3].C. W. Keung and K. M. Lau, EMC2006 (PA, USA).

    [4].Z. Y. Fan, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 094001.

    [5].Z. Gong, et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 094002.

    [6].B. R. Rae, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 094011.

    [7].Z. J. Liu, et al, SID 11 Digest, pp. 1215-1218.

    [8].Z. J. Liu, et al, IEEE J. Display Technol. 9 (2013) 2256107.

    [9].Z. J. Liu, et al, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.25, no.23, 2013.

    [10].W. C. Chong, et al, IEEE CSICS, (2014) 6978524.

    [11].X. Li, et al, IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 34, No. 14, July 15, 2016.