Micro LED顯示技術(shù)研究進展

邰建鵬，郭偉玲

(北京工業(yè)大學 光電子技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100020)

引言

發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)是一種半導體發(fā)光器件，如今的LED技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的很成熟。因此為發(fā)展Micro LED顯示技術(shù)提供了良好的條件。近年來，被視為新一代顯示面板技術(shù)的Micro LED技術(shù)，受到廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)LCD、OLED，Micro LED有著更大的優(yōu)勢，它有著功耗低、響應(yīng)快、壽命長、光效率高等特點。近些年關(guān)于Micro LED顯示陣列的報道有很多[1-10]。Jin等[11]在2000年制造出了尺寸為12 μm，像素間距為50 μm的Micro LED陣列，與大尺寸LED相比其表現(xiàn)出了電流均勻性好、導通電阻小、內(nèi)量子效率高等特點。2008年P(guān)oher等[12]采用被動驅(qū)動方式制作出了數(shù)量為64×64，尺寸為20 μm，間距為30 μm的藍光、綠光和UV Micro LED陣列，并成功利用可編程芯片驅(qū)動顯示出了圖像。其中藍光和UV Micro LED在30 mA下光輸出功率分別為700 μW和300 μW。2013年P(guān)loch等[13]使用MOCVD技術(shù)制作的高功率UV Micro LED陣列像素尺寸為10 μW，間距為43.3 μW在400 mA下光輸出功率達到5.8 mW，并且表現(xiàn)出了相比于普通LED更低的熱阻，達到36 K/W，提高了Micro LED的光電性能和熱學性能。由于LED光電轉(zhuǎn)換效率的提高，Micro LED可以輕松實現(xiàn)低能耗高亮度的要求，因此在移動顯示領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間；此外由于尺寸小，可以制備具有高PPI顯示屏，在AR、VR領(lǐng)域發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

Micro LED顯示技術(shù)不同于LCD、OLED技術(shù)，它不需要依賴背光源，使用壽命更長、色彩飽和度高、亮度大。目前Micro LED顯示技術(shù)從驅(qū)動上分為被動驅(qū)動和主動驅(qū)動[14]。由于被動驅(qū)動需要LED電學隔離，需要進行深刻蝕，而且金屬連線復雜，因此主動驅(qū)動是如今研究的主流方向。本文主要介紹Micro LED顯示的研究現(xiàn)狀，其中包括Micro LED顯示技術(shù)的原理和結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式、Micro LED顯示關(guān)鍵技術(shù)，最后介紹其最新的應(yīng)用情況。

1 Micro LED顯示原理

Micro LED顯示技術(shù)一般指使用尺寸為1～60 μm的LED發(fā)光單元組成顯示陣列的技術(shù)。作為固體自發(fā)光顯示技術(shù)，它比LCD、OLED有著很多無法比擬的優(yōu)點，包括無需背光，光電轉(zhuǎn)換效率高，亮度大于105cd/m2,對比度大于104∶1，響應(yīng)時間在ns級等。

從驅(qū)動方式上可以將Micro LED顯示分為兩大類：被動驅(qū)動和主動驅(qū)動。使用內(nèi)部金屬連線將同一行(列)的N極相連，將同一列(行)的P極相連，將行列電極引到四周，然后外加行列控制器進行行列動態(tài)掃描，這種驅(qū)動方式為被動驅(qū)動。若使用倒裝方式將LED倒裝到CMOS驅(qū)動基板上則為主動驅(qū)動。根據(jù)驅(qū)動方式不同，發(fā)光單元結(jié)構(gòu)不同。

1)金屬互聯(lián)式。被動驅(qū)動的Micro LED顯示像素單元的剖面圖和整個顯示芯片3D結(jié)構(gòu)如圖1所示。外部通過對N/P電極施加行列掃描信號來實現(xiàn)圖像的顯示。此結(jié)構(gòu)的單個LED是互相隔離的，因此需要使用ICP刻蝕到襯底，由于刻蝕深度達到5～6 μm，后續(xù)進行金屬連線時，金屬線容易在深隔離槽處出現(xiàn)斷裂。

圖1 被動驅(qū)動陣列剖面圖和3D結(jié)構(gòu)圖Fig.1 A cross-sectional structure & 3D view of passive drive

2)單片集成式與晶粒轉(zhuǎn)移式。以主動方式驅(qū)動的Micro LED發(fā)光陣列采用單片集成或晶粒轉(zhuǎn)移兩種方式進行組裝的。單片集成：LED外延片被制成LED陣列(N×N個LED)，然后將陣列整體倒裝到驅(qū)動基板上，結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。這種結(jié)構(gòu)一次可以轉(zhuǎn)移多個LED發(fā)光單元，轉(zhuǎn)移過程如圖2(c)所示。但是它無法解決彩色化問題，從同一個基底有選擇的生長出三種波長的發(fā)光材料目前是不現(xiàn)實的。

但晶粒轉(zhuǎn)移技術(shù)為彩色化方案提供了可能。與單片集成不同，這種技術(shù)將LED刻蝕成單晶粒形狀，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，其中晶粒大小在1～60之間，結(jié)合巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)進行晶粒到驅(qū)動基底的大批量轉(zhuǎn)移并鍵合。由于巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)尚不成熟，使得這種方式成本極高。圖2(d)為單晶粒轉(zhuǎn)移過程。

圖2 單片集成式和晶粒轉(zhuǎn)移式芯片剖面圖和3D結(jié)構(gòu)圖、單片集成制造流程圖和晶粒轉(zhuǎn)移流程圖[15]Fig.2 A cross-sectional structure & 3D view of Monolithic integration & Pick & place individual LEDs，monolithic manufacture and pick &place individual LEDs

2 Micro LED顯示驅(qū)動

1)ASIC被動驅(qū)動。用這種驅(qū)動方式的Micro LED陣列采用被動(行列掃描方式)驅(qū)動點亮。結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，圖3是被動矩陣的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，其中列信號由數(shù)據(jù)信號充當，行信號由選擇信號充當。當X行和Y列被選通時，點(X,Y)被點亮。以高頻逐點掃描方式來顯示圖像。由于IC驅(qū)動能力的限制，當不同列需要點亮的像素數(shù)量不一樣時，不同列之間的像素亮度就會產(chǎn)生差異。對于彩色化Micro LED陣列來說，驅(qū)動電路將更加復雜化[16]，以這種全彩陣列為例，由于一個像素中存在RGB三個LED，并且三個LED驅(qū)動電壓存在差異，這將導致驅(qū)動電路更加復雜化，驅(qū)動難度也將加大。

由圖1可以看出，被動驅(qū)動Micro LED陣列需要深隔離槽結(jié)構(gòu)(ICP刻蝕到襯底)，來保證發(fā)光單元的獨立。刻蝕深度為5～6 μm，電極經(jīng)過隔離槽會出現(xiàn)斷裂情況，降低器件可靠性；并且深隔離槽內(nèi)的光刻膠不易被充分曝光，影響后續(xù)工藝；深隔離槽會加大發(fā)光單元間距，影響像素密度。

圖3 被動驅(qū)動矩陣示意圖Fig.3 Schematic diagram of passive drive matrix

2)CMOS主動驅(qū)動。CMOS驅(qū)動采用共N極倒裝結(jié)構(gòu)，發(fā)光芯片采用單片或者單晶粒形式，倒裝到驅(qū)動基板后再應(yīng)用倒裝鍵合技術(shù)，將芯片倒裝到硅基CMOS驅(qū)動基板上，這個過程涉及到抓取、擺放等復雜技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)可以將像素尺寸降到幾十個微米，像素間隙很小，達到幾個微米[17]。驅(qū)動方式為主動驅(qū)動。

主動驅(qū)動方式要明顯優(yōu)于被動驅(qū)動方式，如圖4所示，香港科技大學劉召軍團隊提出的兩個MOS管和一個電容結(jié)構(gòu)，又稱為2T1C(2 Transistors 1 Capacitor)結(jié)構(gòu)。由于引入電容器，在下一幀信號刷新前，LED處于保持狀態(tài)[18]。這是主動驅(qū)動的特點，這種驅(qū)動方式驅(qū)動能力強、高亮度和對比度、低功耗、可控制能力強、速度快，可以廣泛的應(yīng)用在高分辨率顯示陣列中。

圖4 主動驅(qū)動電路Fig.4 Active drive circuit

3)TFT驅(qū)動。以TFT方式驅(qū)動的Micro LED顯示陣列與傳統(tǒng)TFT-LCD顯示技術(shù)相同,使用鍵合技術(shù)將Micro LED陣列轉(zhuǎn)移到含有TFT驅(qū)動背板上，或者直接在Micro LED晶圓上生長TFT[19]。首爾慶熙大學Kim團隊[9]使用低溫多晶硅(LTPS) TFT技術(shù)制造了像素間距為10 μm，亮度達40 000 cd/m2，EL峰為455 nm，F(xiàn)WHM為15 nm的Micro LED陣列，如圖5所示。

圖5 TFT-Micro LED示意Fig.5 Diagram of TFT-Micro LED

3 Micro LED顯示關(guān)鍵技術(shù)

1)轉(zhuǎn)移技術(shù)。目前Micro LED量產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)便是巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)，巨量轉(zhuǎn)移指的是通過某種高精度設(shè)備將大量Micro LED晶粒轉(zhuǎn)移到目標基板上或者電路上。如何控制成本和良率是商業(yè)化的關(guān)鍵。

(a)微印章轉(zhuǎn)移技術(shù)(μTP)。2015年X-Celeprint公司報道了一種Elastomer stamp micro-transfer-printing 的技術(shù)(μTP)，如圖6所示。首先將LED制備在插入有中間層(犧牲層)的襯底上，然后噴涂上有機封裝涂層，除去犧牲層后使用彈性轉(zhuǎn)移印章將器件轉(zhuǎn)移到其他基板上。報道中轉(zhuǎn)移的器件尺寸為40 μm×40 μm，厚度為1 μm，間距在20 μm左右。整個轉(zhuǎn)移過程需要30 s，并且良率大于99.9%。2017年韓國機械與材料研究所(KIMM)提出了一種Overlay-Aligned Roll-Transfer Printing[22]技術(shù)，如圖6(b)所示，壓印平板換成了滾輪。實現(xiàn)了柔性顯示Micro LED和Si-TFT電路的轉(zhuǎn)移，對準誤差為3 μm，良率為99.9%。

圖6 微轉(zhuǎn)印技術(shù)和滾筒轉(zhuǎn)印技術(shù)Fig.6 Micro transfer printing and roll-transfer printing

這種方法可以實現(xiàn)高速率大批量轉(zhuǎn)移，缺點是壓印材料(PDMS)和施主襯底之間熱膨脹系數(shù)差距大,邊長為100 mm的PDMS在環(huán)境溫度變化1 ℃時將和施主襯底出現(xiàn)30 μm的誤差[23]。

(b)流體自對準技術(shù)。2017年eLux公司申請了此項技術(shù)專利[24]，襯底有井狀接觸位，Micro LED隨懸浮液流動時便會被底部井捕獲，最后進行退火處理Micro LED和襯底形成電氣連接(圖7)。

圖7 流體自對準示意圖Fig.7 Illustration of fluidic self-assembly

2)彩色化技術(shù)。彩色化是Micro LED顯示商業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)在主要彩色化方式有如下幾種：UV/藍光LED+發(fā)光介質(zhì)法、三色RGB法、透鏡合成法。

(a)UV/藍光LED+發(fā)光介質(zhì)法。發(fā)光介質(zhì)一般分為熒光粉和量子點，但由于熒光粉顆粒大，不適合應(yīng)用到小尺寸Micro LED中，如今研究熱點的是量子點技術(shù)。QLED 又稱量子點顯示技術(shù)。利用量子尺寸效應(yīng)再施加為電場或者光壓，量子點便會發(fā)出不同頻率的光。在顯示領(lǐng)域，量子點在藍光/UV照射下進行光致發(fā)光，產(chǎn)生紅光與綠光 ，并同部分透過的藍光混合形成白光，進而在電源驅(qū)動下發(fā)光顯示。

由于量子點發(fā)光二極管具有發(fā)光效率高、窄帶寬、帶隙易設(shè)計等特點，使它可以作為很好的發(fā)光源。與普通的InGaN藍光激發(fā)熒光粉合成白光的LED不同，QLED可以提供多種色彩。因此小尺寸的QLED在Micro LED顯示彩色化領(lǐng)域也是一種可行的方案。

Chen等[26]、Lin等[27]利用噴涂技術(shù)制造的QLED如圖8所示。噴涂技術(shù)解決了LED芯片向基底大批量轉(zhuǎn)移的難題,也解決了三原色RGB驅(qū)動復雜的問題，同時噴涂技術(shù)結(jié)合光刻膠模可以有效降低像素串擾問題[27]。

(b)透鏡合成法。利用透鏡將三色LED光線進行合成也是一種彩色化方案[28]，Liu團隊制作的Micro LED投影原型機的工作原理為先將視頻信號轉(zhuǎn)化為RGB三色信號，然后分別將三色信號控制對應(yīng)LED芯片。最后使用圖9(a)光學結(jié)構(gòu)將三色混合通過透鏡投影出去。這是一種全新的投影技術(shù)，相比于LCOS、DLP、LCD顯示，它結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕、光效率更高，可靠性更高。

(c)三色RGB法。2016年P(guān)eng等[16]采用CoB技術(shù)在透明石英基板上制作了5×5×3 RGB全彩LEDoTS Micro LED顯示器，如圖10(a)和(b)所示。整個面板尺寸為5 mm×5 mm。其中紅色LED使用GaAs材料并且為垂直結(jié)構(gòu)，藍光和綠光LED使用GaN材料結(jié)構(gòu)且為水平結(jié)構(gòu)。通過CoB技術(shù)將LED芯片轉(zhuǎn)移到透明襯底的陰極線上，然后通過飛線進行陽極的連接。由于驅(qū)動三色LED所需的電壓各不相同，因此此種方法還未實現(xiàn)對面板灰度的控制。與

圖9 光學透鏡合成和全彩投影顯示Fig.9 Optical structure and full color micro LED projection display

圖10 RGB全彩LED顯示器及Micro LED陣列Fig.10 RGB LED display and micro LED array

此類似的還有中科院Xue團隊[29]制作的可變色Micro LED顯示陣列。上述方法采用橫向排列RGB LED實現(xiàn)彩色化。還有一種垂直堆疊方式，就是將RGB三個芯片做成 “三明治” 結(jié)構(gòu)，三種芯片是透明的，并且可以獨立尋址，通過控制控制PWM電壓占空比來合成所需要的顏色。這種垂直結(jié)構(gòu)相比于水平結(jié)構(gòu)可以縮小2/3的占用面積，但對于尋址、金屬化、布線、驅(qū)動電路等依然是設(shè)計難點。C-M KANG團隊研制出了數(shù)量為8×8像素陣列，芯片尺寸為800 μm×800 μm。其通過調(diào)節(jié)控制綠光和藍光的PWM電壓不同占空比得到了一個像素從藍到綠的色度圖。堆疊結(jié)構(gòu)降低芯片占用面積單也增加了工藝難度，如圖10(c)所示。

4 商業(yè)化應(yīng)用情況

較早成功使用Micro LED制成顯示面板并成功驅(qū)動的是Texas Tech University 的Day等[17]在2011年完成的，發(fā)光單元尺寸為12 μm，間距15 μm，像素數(shù)量為640×480。2012年SONY公司在CES 2012上展示了由Micro LED制成的55寸 Crystal LED Display TV原型機。像素數(shù)量約為600萬個。分辨率為1 920×1 080×RGB，亮度約為400 cd/m2，可視角為180°，在對比度，色域，視頻響應(yīng)速度都有不同程度提升，并在2016年推出巨型拼接顯示熒幕“CLEDIS”(Crystal LED Integrated Structure)。2018年三星推出了146寸 “The Wall”，像素間距為0.8 mm，分辨率為960×540，亮度為500 nit。據(jù)報道，收購LuxVue的蘋果公司也將推出基于Micro LED技術(shù)的Apple Watch和VR顯示面板。

5 結(jié)束語

Micro LED芯片的工藝已經(jīng)比較成熟，但是包括驅(qū)動電路設(shè)計、色彩轉(zhuǎn)換方式、檢測設(shè)備及方法、晶圓波長均勻度控制等都是尚待突破的技術(shù)瓶頸，其中巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)尤為困難，它直接影響了生產(chǎn)成本量產(chǎn)速度和良率等關(guān)鍵問題。因此基于Micro LED的Micro LED顯示技術(shù)在未來一段時間還不能成為主流顯示技術(shù)。但這并不影響顯示行業(yè)向這個方向發(fā)展，如今Micro LED的過度技術(shù)Mini LED技術(shù)已經(jīng)相當成熟，在高端顯示和車載顯示有著巨大應(yīng)用潛力。我們相信在未來研究中可靠性、尺寸效應(yīng)、巨量轉(zhuǎn)移等技術(shù)會有突破，而Micro LED顯示技術(shù)將會推動顯示行業(yè)向前發(fā)展。