【科普】Micro-LED已诞生16年,一文了解它的成长史

由本期开始,本系列将通过浅显易懂的科普文章为大家逐次介绍micro-LED技术的发展历史、驱动方式、彩色化、发展趋势等内容,力图通过有限的文字使大家对micro-LED有一个初步的认识。

LED技术已经发展了近三十年,最初只是作为一种新型固态照明光源,之后虽应用于显示领域,却依然只是幕后英雄——背光模组。如今,LED逐渐从幕后走向台前,迎来最蓬勃发展的时期。如今它已多次出现在各种重要场合,在显示领域扮演着越来越重要的角色。


▲图1  LED在 ①鸟巢 ②水立方 ③上海世博会上的应用

LED之所以能够成为当前的关注焦点,主要归功于它许多得天独厚的优点。它不仅能够自发光,尺寸小,重量轻,亮度高,更有着寿命更长,功耗更低,响应时间更快,及可控性更强的优点。这使得LED有着更广阔的应用范围,并由此诞生出更高科技的产品。


▲图2  LED 大尺寸显示屏(分辨率较低)  


▲图3  8×8 LED阵列与micro-LED阵列的对比

如今,LED大尺寸显示屏已经投入应用于一些广告或者装饰墙等。然而其像素尺寸都很大,这直接影响了显示图像的细腻程度,当观看距离稍近时其显示效果差强人意。此时,micro-LED display 应运而生,它不仅有着LED的所有优势,还有着明显的高分辨率及便携性等特点。

当前micro-LED display的发展主要有两种趋势。一个是索尼公司的主攻方向——小间距大尺寸高分辨率的室内/外显示屏。另一种则是苹果公司正在推出的可穿戴设备(如 Apple Watch),该类设备的显示部分要求分辨率高、便携性强、功耗低亮度高,而这些正是micro-LED的优势所在。

Micro-LED display 已经发展了十数年,期间世界上多个项目组发布成果并促进着相关技术进一步发展。例如,2001年日本Satoshi Takano团队公布了他们的研究的一组micro-LED阵列。

该阵列采用无源驱动方式,且使用打线连接像素与驱动电路,并将红绿蓝三个LED芯片放置在同一个硅反射器上,通过RGB的方式实现彩色化。该阵列虽初见成效,但也有着不容忽视的缺点,其分辨率与可靠性都还很低,不同LED的正向导通电压差别比较大[1]。

同年,H. X. Jiang团队也同样做出了一个无源矩驱动的10×10 micro-LED array。这个阵列创新性的使用四个公共n电极和100个独立p电极。并采用复杂的版图设计以尽量最优化连线布局。虽然显示效果有一定的进步,但没有解决集成能力低的问题[2]。


▲图4  H. X. Jiang团队的10×10 阵列连线布局

另一个比较突出的成果是在2006年由香港科技大学团队公布的。同样采用无源驱动,使用倒装焊技术集成Micro-LED 阵列[3]。但是同一行像素的正向导通电压也差别比较大,而且当该列亮起的像素数目不同时,像素的亮度也会受到影响,亮度的均匀性还不够好。


▲图5  香港科技大学团队成果展示

2008年,Z. Y. Fan团队公布另一个无源驱动的120×120的微阵列,其芯片尺寸为3.2mm×3.2mm,像素尺寸为20×12μm,像素间隔为22μm。尺寸方面已经明显得到优化,但是,依然需要大量的打线,版图布局仍然十分复杂[4]。

而同年Z. Gong团队公布的微阵列,依然采用无源矩阵驱动,并使用倒装焊技术集成。该团队做出了蓝光(470nm)micro-LED阵列和UV micro-LED(370nm)阵列,并成功通过UV LED阵列激发了绿光和红光量子点证明了量子点彩色化方式的可行性[5]。


▲图6 UV micro-LED 阵列

       
▲ 图7 Micro-LED 阵列与Si-CMOS的集成

此外,在该年,B. R. Rae 团队成功集成了 Si-CMOS 电路,该电路可为UV LED提供合适的电脉冲信号,并集成了SPAS (single photo avalanche diode )探测器,主要应用于在便携式荧光寿命读写器。然而其驱动能力比较弱,且工作电压很高[6]。

2009年,香港科技大学Z. J. Liu所在团队利用UV micro-LED阵列激发红绿蓝三色荧光粉,得到了全彩色的微LED显示芯片[7]。2010年该团队分别利用红绿蓝三种LED外延片制备出360 PPI的微LED显示芯片[8],并把三个芯片集成在一起实现了世界上首个去背光源化的全彩色微LED投影机[9]。


▲图8  世界上首个去背光源的全彩色micro-LED投影机

之后,Z. J. Liu所在的香港科技大学团队与中山大学团队合力将微LED显示的分辨率提高到1700 PPI,像素点距缩小到12微米,采用无源选址方式+倒装焊封装技术[10]。与此同时他们还成功制备出分辨率为846 PPI的WQVGA 有源选址微LED显示芯片,并在该芯片中集成了光通讯功能[11]。


▲图9 1700 PPI micro-LED微显示芯片

这些仅是micro-LED发展历史中比较重要的一些成果。之后,关于micro-LED的探索不断深入,更多的进展不断被公布,包括进一步减小尺寸,提高亮度的均匀性等,关于其驱动方式,制备工艺及彩色化的实现等方面也有着诸多讨论,这些将在后续系列中进行介绍。


作者:刘召军 张珂
光电集成实验室(EPIL)
中山大学卡内基梅隆大学联合工程学院(JIE)
广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院(JRI)
中山大学电子与信息工程学院(SEIT)

参考文献:
[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.

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