【科普】Micro-LED已誕生16年，一文了解它的成長史

    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(dòng)方式、彩色化、發(fā)展趨勢(shì)等內(nèi)容，力圖通過有限的文字使大家對(duì)micro-LED有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

    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(yīng)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(tái)前，迎來最蓬勃發(fā)展的時(shí)期。如今它已多次出現(xiàn)在各種重要場(chǎng)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(huì)上的應(yīng)用

    LED之所以能夠成為當(dāng)前的關(guān)注焦點(diǎn)，主要?dú)w功于它許多得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)。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(yīng)時(shí)間更快，及可控性更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。這使得LED有著更廣闊的應(yīng)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(duì)比

    如今，LED大尺寸顯示屏已經(jīng)投入應(yīng)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(xì)膩程度，當(dāng)觀看距離稍近時(shí)其顯示效果差強(qiáng)人意。此時(shí)，micro-LED display 應(yīng)運(yùn)而生，它不僅有著LED的所有優(yōu)勢(shì)，還有著明顯的高分辨率及便攜性等特點(diǎn)。

    當(dāng)前micro-LED display的發(fā)展主要有兩種趨勢(shì)。一個(gè)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(qiáng)、功耗低亮度高，而這些正是micro-LED的優(yōu)勢(shì)所在。

    Micro-LED display 已經(jīng)發(fā)展了十?dāng)?shù)年，期間世界上多個(gè)項(xiàng)目組發(fā)布成果并促進(jìn)著相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。例如，2001年日本Satoshi Takano團(tuán)隊(duì)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(dòng)方式，且使用打線連接像素與驅(qū)動(dòng)電路，并將紅綠藍(lán)三個(gè)LED芯片放置在同一個(gè)硅反射器上，通過RGB的方式實(shí)現(xiàn)彩色化。該陣列雖初見成效，但也有著不容忽視的缺點(diǎn)，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(tuán)隊(duì)也同樣做出了一個(gè)無源矩驅(qū)動(dòng)的10×10 micro-LED array。這個(gè)陣列創(chuàng)新性的使用四個(gè)公共n電極和100個(gè)獨(dú)立p電極。并采用復(fù)雜的版圖設(shè)計(jì)以盡量最優(yōu)化連線布局。雖然顯示效果有一定的進(jìn)步，但沒有解決集成能力低的問題[2]。

▲圖4  H. X. Jiang團(tuán)隊(duì)的10×10 陣列連線布局

    另一個(gè)比較突出的成果是在2006年由香港科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)公布的。同樣采用無源驅(qū)動(dòng)，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(dāng)該列亮起的像素?cái)?shù)目不同時(shí)，像素的亮度也會(huì)受到影響，亮度的均勻性還不夠好。

▲圖5  香港科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)成果展示

    2008年，Z. Y. Fan團(tuán)隊(duì)公布另一個(gè)無源驅(qū)動(dòng)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(fù)雜[4]。

    而同年Z. Gong團(tuán)隊(duì)公布的微陣列，依然采用無源矩陣驅(qū)動(dòng)，并使用倒裝焊技術(shù)集成。該團(tuán)隊(duì)做出了藍(lán)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(diǎn)證明了量子點(diǎn)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(tuán)隊(duì)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(hào)，并集成了SPAS （single photo avalanche diode ）探測(cè)器，主要應(yīng)用于在便攜式熒光壽命讀寫器。然而其驅(qū)動(dòng)能力比較弱，且工作電壓很高[6]。

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

▲圖8  世界上首個(gè)去背光源的全彩色micro-LED投影機(jī)

    之后，Z. J. Liu所在的香港科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)合力將微LED顯示的分辨率提高到1700 PPI，像素點(diǎn)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(shí)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(jìn)展不斷被公布，包括進(jìn)一步減小尺寸，提高亮度的均勻性等，關(guān)于其驅(qū)動(dòng)方式，制備工藝及彩色化的實(shí)現(xiàn)等方面也有著諸多討論，這些將在后續(xù)系列中進(jìn)行介紹。

    作者：劉召軍 張珂

    光電集成實(shí)驗(yàn)室（EPIL）

    中山大學(xué)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)聯(lián)合工程學(xué)院（JIE）

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

    中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院（SEIT）

    參考文獻(xiàn)：

    [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.