高度集成的μLED顯示技術研究進展

嚴子雯，嚴 群，李典倫，張永愛，周雄圖，葉 蕓，郭太良，孫 捷*

(1.福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350108；2.中國福建光電信息科學與技術創新實驗室，福建 福州 350117)

1 引 言

20世紀以來，隨著信息時代的發展，顯示技術逐漸進入人們的生活中，其應用領域覆蓋從醫療、教育、娛樂到工業、軍事、航空航天的方方面面。顯示技術也從最初的陰極射線管(CRT)逐漸發展到如今的平板顯示。液晶顯示(LCD)和等離子顯示(PDP)兩種新的平板顯示技術推出后，它們憑借節能、體積較小等優點，逐漸取代了占據顯示市場數十年的CRT。由于LCD不斷降低成本和提高性能，PDP在不久后失去了競爭力，但是LCD需要使用背光通過液晶矩陣發光產生圖像，所以存在響應時間慢、轉換效率低、均勻性差、色彩飽和度低等缺點。近年來，新型顯示技術逐漸發展起來，例如有機發光二極管(OLED)顯示、發光二極管(LED)顯示等。與LCD相比，OLED顯示是自發光顯示，無需背光、視角寬、對比度高、省電、響應速度快、每個像素都可以獨立控制。而且，OLED的組成為固態結構，沒有液態物質，抗機械振動性能更好。然而，OLED顯示屏壽命相對較短，加上色彩純度不夠以及成本略高等因素，OLED的市場占有率并未超過LCD。LED顯示則較多用于大型戶外顯示屏，具有壽命長、功耗低、亮度高、色彩飽和度高等優點。目前，LED顯示技術中，像素日趨微型化。越來越多的科研人員開始了關于微型LED(μLED)的研究[1-13]，并將其視為下一代顯示技術。

相比于LCD和OLED，μLED具有很多優勢，如效率高、耐候性好、壽命長、分辨率可以很高等，更重要的是，它可以實現所謂“高度集成顯示”。本文中，這一概念有兩重含義。其一，由于μLED單個像素面積極小，因此可實現超高分辨率顯示；其二，也可適當降低像素密度，而在其間隙處集成微傳感器等非顯示元素，與用戶互動。這些都是傳統技術很難實現的。但目前μLED尚未產業化，主要是因為μLED將LED器件尺寸縮小，且往往密度很高，所以許多新的技術挑戰隨之產生，如巨量轉移技術和全彩化顯示等。一方面，由于難以將驅動電路直接制備在μLED襯底上，因此需要將μLED器件從其襯底上轉移并鍵合到互補金屬氧化物半導體(CMOS)或薄膜晶體管(TFT)驅動電路襯底上。然而，轉移的μLED尺寸小、數量多、需要精確對位且良率至少大于99.9999%，所以這種巨量轉移是μLED公認的一個關鍵性技術。另一方面，由于在GaN上制備的紅光μLED的效率比較低，所以實現全彩化顯示也是μLED的一個重要技術難點。

本文主要介紹高度集成的μLED顯示技術的研究現狀，將結合我們的科研實踐，分別從μLED顯示技術的基本原理、結構與性能、驅動方式、重點技術等方面進行分析說明，最后介紹其最新市場應用，提出在顯示領域有革命性意義的超大規模集成半導體信息顯示器件(HISID)的理念，并加以評述。

2 μLED基本原理、結構與性能

LED[14]是一種將電能轉化為光能的電致發光器件，其核心結構是由半導體材料形成的PN結。當對LED施加正向電壓時，通過電極從N區和P區分別向空間電荷區注入電子和空穴，并在結區復合發光。μLED技術就是將LED微縮化和矩陣化，其發光單元尺寸在50 μm以下，且較高密度地集成在芯片上。μLED可以通過巨量轉移的方式批量地轉移到驅動電路基板上，該基板可以為硬性或柔性、透明或不透明。然后，再利用物理氣相沉積等方法在其上制備保護層和外接電極，并進行封裝。

制備μLED的材料一般是GaN基半導體。μLED主要由以下幾部分組成：襯底、緩沖層、N型半導體、MQWs(多量子阱)、P型半導體以及電極，有些還有P-AlGaN電子阻擋層。為進一步提高性能，還可加入光柵、光子晶體、分布式布拉格反射鏡(DBR)等附加結構。μLED芯片的結構主要分為正裝結構、倒裝結構、垂直結構等。如圖1(a)所示，正裝結構較為簡單且易于加工，但是由于頂部需要制備電極因而使得出光面積減少，且散熱性能較差；倒裝結構如圖1(b)所示，相比較于正裝結構，光提取效率更高，器件的散熱性能、可靠性和壽命也都得到了提高。

圖1 (a)μLED正裝結構；(b)μLED倒裝結構。

3 μLED顯示的驅動

μLED的驅動方式主要有兩種模式：無源尋址驅動和有源尋址驅動。

3.1 無源尋址驅動(PM)

無源尋址驅動[15]是指在μLED陣列中使用金屬連線分別將每列像素陽極相連，每行像素陰極相連，由外加行列控制器對行列電極進行動態掃描。圖2是無源尋址驅動的典型電路結構，當第x行和第y列選通時，其交點(x,y)處像素被點亮。使用無源尋址驅動方式對屏幕高速地逐點掃描，就可以實現全屏畫面顯示。無源尋址驅動方式結構簡單且易實現，在設計和制備方面具有成本優勢。圖3是典型的無源尋址驅動陣列的剖面和三維結構示意圖。

圖2 無源尋址驅動

圖3 無源尋址驅動陣列。(a)剖面圖;(b)3D結構圖。

3.2 有源尋址驅動(AM)

典型的有源尋址驅動[16-18]方式一般是指采用金屬鍵合工藝將μLED芯片倒裝在驅動基板上(如CMOS)，每個像素的陰極通過共用N型GaN連接，陽極則與CMOS驅動基板金屬鍵合。使用這種方式，每個像素都有獨立的驅動電路，可以方便地單獨尋址控制。有源尋址驅動方式中，經常使用兩個晶體管一個電容(2T1C)驅動電路，如圖4所示。每個μLED的電流控制通過尋址晶體管T1、驅動晶體管T2和一個存儲電容C實現。信號存儲在電容中，使得像素器件處于保持狀態，直至下一幀信號刷新，從而在整個周期產生所需的連續電流[12]。此處介紹2T1C結構是因為它是有源驅動的一種基本電路，簡單且易實現，但其本質是電壓控制電流源，而μLED是電流型器件，所以該電路較難控制顯示灰度。更精細的設計，例如4T2C電路，是一種電流控制電流源的電流比例型驅動電路，對實現μLED的灰階更有利，此處不詳述。

圖4 2T1C有源尋址驅動電路圖

目前主要有整片轉移和晶粒轉移兩種方式來組裝有源尋址驅動μLED。整片轉移方式是將外延片制成μLED陣列后，整體倒裝在驅動基板上，但由于目前很難在同一基板上有選擇地生長不同顏色的μLED，所以很難實現全彩化。晶粒轉移方式是將μLED襯底切割成單晶粒，通過巨量轉移方式轉移到驅動基板上。但是當前巨量轉移技術還不成熟，所以組裝成本較高。

3.3 兩種驅動方式對比

與無源尋址驅動方式相比，有源尋址驅動方式更適合應用在μLED器件中，它有著顯著的優勢。

雖然無源尋址驅動方式結構簡單且易實現，但是也存在許多不足：它采用共行共列的電極，會產生較大的寄生電阻和電容，導致功耗大；驅動電壓較高時，驅動電流從選定像素通過，但其周圍像素也會受到電流影響，產生像素串擾，影響顯示質量；由于外部集成電路的驅動能力有限，每個像素的亮度受這一行或列中已經亮起像素的數量影響，當行或列亮起的像素個數不同時，施加到每個像素上的驅動電流不同，亮度產生差異，對于大面積的顯示應用而言，會極大地影響屏幕亮度的均勻性及對比度；對于彩色μLED陣列，單個像素中包含3種不同的μLED，每種μLED需要的驅動電壓不同，需要更復雜的驅動電路，使得驅動的難度增大。圖3為無源尋址驅動陣列剖面圖和3D結構圖。因為需要深刻蝕到襯底以確保每個μLED之間都是電學隔離的，所以電極經過深隔離槽時有可能會出現斷裂，器件可靠性降低，并且這種結構使得發光單元的間距增大，像素密度受到影響。所以無源尋址驅動方式不是非常適合于大尺寸和超高分辨率的顯示。

與此相反，對于有源尋址驅動方式，其驅動能力更強，驅動速度更快，所以更加適合大面積和高分辨率的μLED顯示；有源尋址驅動方式無行列掃描損耗，功耗更小，效率更高；有源尋址驅動方式的亮度均勻性和對比度也較好；每個像素都有獨立的驅動電路，被點亮像素不影響周圍的像素，可以較好地解決串擾問題。

4 μLED巨量轉移技術

μLED巨量轉移技術主要是指將生長在外延襯底上的μLED陣列快速精準地轉移到驅動電路基板上，并與驅動電路之間形成良好的電氣連接和機械固定的技術，也是當前限制μLED產業化的一個瓶頸技術，能否大量、快速、準確地轉移μLED芯片到目標基板上決定著μLED是否能夠真正實現量產。巨量轉移技術在μLED顯示中之所以十分必要，主要是由于以下幾點：由于GaN μLED外延片與GaN晶體管外延片結構差異很大，在GaN μLED外延片上直接制備基于GaN晶體管的驅動電路需要二次外延生長，工藝復雜且可靠性較差，因此需要巨量轉移μLED到另外的驅動襯底上；為了實現可穿戴設備，需要將μLED轉移到柔性或可拉伸襯底上；有時需要通過巨量轉移技術來有選擇地轉移部分μLED，以匹配不同分辨率顯示設備的像素間距；巨量轉移技術可以用于實現μLED全彩化顯示，亦即通過巨量轉移技術分別將紅綠藍(RGB)三色μLED晶粒轉移到驅動電路基板上，以實現全彩化；HISID器件中，也需要采用巨量轉移技術加入非顯示元件等。

表1 主要巨量轉移技術

目前μLED巨量轉移技術主要有流體自組裝技術、印章抓取技術、選擇性釋放技術、滾軸轉印技術等。

4.1 流體自組裝技術(FSA)

流體自組裝技術[19-20]是通過重力和毛細管力驅動并捕獲μLED至驅動電路基板的一種轉移方式。自組裝一般是在液體中進行，μLED在液體中懸浮并在目標基板表面流動，到達被捕獲的位置，與目標基板表面合金接觸并與目標基板形成電氣連接。Cho等[21]采用流體自組裝方式，將圓形芯片、表面具有低熔點合金涂層的基板和組裝溶液放入玻璃小瓶，加熱并振蕩，芯片在流動時被低熔點合金捕獲并與基板形成電氣連接，在1 min內將19 000多塊直徑為45 μm的藍色μLED組裝在基板上，成功率達99.9%。

4.2 印章抓取技術

印章抓取技術是指通過范德華力、磁力或者靜電力將μLED芯片黏附在轉移用的印章上，然后放置在目標基板上[22]。X-Celeprint[23]在2015年提出一種彈性印章技術，如圖5所示，彈性印章一般由聚二甲基硅氧烷(PDMS)為載體。為了使μLED芯片更好地被印章抓取并脫離原基板，在制備μLED過程中加入一層犧牲層，去除犧牲層后，μLED器件與原基板中間有一部分鏤空。印章和器件之間通過范德華力結合，提起印章將使器件與原基板鏤空處的連接斷裂，并按原有陣列排布的格局轉移到印章上，良率大于99.9%。ITRI提出將μLED中混入鐵鈷鎳等材料，通過電磁力控制芯片抓取。LuxVue[24]提出采用靜電力抓取芯片，通過對印章施加正負電壓來控制μLED的抓取和放置。

圖5 印章抓取技術示意圖

4.3 選擇性釋放技術

選擇性釋放技術[25]是使用激光束將μLED從襯底上剝離，然后再轉移到目標基板上。如圖6所示，在激光照射下，原始襯底與μLED的界面處發生反應，分解界面層，μLED脫離襯底，同時有局部的機械力將μLED推向目標基板。目前有報道使用大規模并行激光轉移技術，實現了每小時1億次以上的轉移效率。

圖6 選擇性釋放技術示意圖

4.4 滾軸轉印技術

滾軸轉印技術[26]是由韓國KIMM提出的一種μLED轉移方式，可以用于轉移厚度小于10 μm、尺寸小于100 μm的μLED芯片。這個方法可以用于柔性、可拉伸和輕量級的顯示設備，轉移速率高達每秒10 000個。如圖7所示，首先利用涂覆一次性轉移膜的滾輪將TFT陣列拾取并放置在臨時基板上；然后將μLED用同樣的方法拾取放置在有TFT的臨時基板上，與TFT焊接；最后，將μLED和TFT互聯陣列滾動轉移到目標襯底上。

圖7 滾軸轉印技術示意圖

目前，與流體自組裝技術、選擇性釋放技術、滾軸轉印技術相比，有關印章抓取技術的研究更加廣泛。我們認為，這種技術是更有可能使μLED實現產業化的巨量轉移技術。流體自組裝技術雖然轉移方式簡單、成本低、可以并行組裝，但是這種方式組裝成品率低，對芯片形狀有要求，并且需要解決如何將芯片準確定位于結合點這個問題；滾軸轉印技術雖然工藝步驟比之前減少，生產速度有所提高，但是技術難度較大，很難保證生產良率。相比之下，印章抓取技術則可以有效地實現大批量有選擇性的轉移。該方法可控性強、轉移效率高、成品率高、印章易于加工且靈活性大，因此我們認為相比較于其他幾種轉移方式，印章抓取技術更有可能成為日后進行巨量轉移的主要轉移方法。下一階段應主要追求進一步提高準確性和降低技術成本。

5 μLED彩色化技術

對于大多數顯示器而言，其顯示的圖像都需要全色(紅、綠、藍三原色組成)，因此μLED顯示的彩色化也是一個重要的研究方向。目前主流的彩色化方式有3種：三色RGB法、短波長μLED+發光介質法以及將圖像色彩化的透鏡合成法。

5.1 三色RGB法

三色RGB法是指分別在不同的襯底上外延并制作紅色、綠色、藍色的μLED芯片，然后將其切割，轉移到目標基板上。Peng等[27]利用垂直結構的紅光μLED器件和正裝結構的藍、綠光μLED器件，通過板上芯片(COB)技術在石英襯底上制備了全彩μLED顯示器。如圖8所示，這種全彩技術中，每個像素中都包含RGB 3個μLED器件，通過不同電流來控制亮度，使得三原色混合實現全彩化。但是，這種方式也存在一些問題待解決：RGB 3種μLED所使用的材料不同，所以壽命、溫度等方面的性能也不相同；需要復雜的驅動電路來維持工作；需要將3種不同的μLED轉移到目標基板上，對巨量轉移要求很高。例如，制造一個4k分辨率的顯示器，需要將2 500萬個μLED精確地(誤差在1 μm以下)組裝和連接在基板上，轉移如此大量的3個不同的μLED是非常困難的。

圖8 三色RGB法陣列

5.2 短波長μLED+發光介質法

短波長μLED+發光介質法是指利用沉積在短波長μLED上的發光介質(目前常用熒光粉或者量子點)作為顏色轉換層來實現全彩化顯示。2020年，Kim等[28]使用光固化丙烯酸材料與納米有機復合材料的混合物，通過光刻技術在藍光μLED上沉積紅色、綠色顏色轉換層。該轉換層在底部藍光照射下光致發光，產生紅光和綠光，與無轉換層的藍光混合形成白光，實現全彩顯示。為避免像素間顏色串擾，還在μLED之間沉積了黑色膠。Li等[29]在藍寶石上制備藍/綠雙波長μLED器件，使用紅色量子點作為顏色轉換層實現了全彩顯示，與其他報道的結果相比，提高了量子點的轉換效率。Zhuang等[30]在紫光/藍光μLED上制備納米孔陣列并填充量子點，形成白光光源。這些有序的納米孔陣列作為光子晶體，與無納米孔陣列的平面結構相比，光的提取效率顯著增強。

本課題組先通過在藍光μLED臺面上用納米壓印和干法刻蝕的方法制備納米孔陣列，再填入對高溫有較強耐受性的紅光量子點，成功地實現了將藍光高效地轉換成紅光，如圖9所示。

圖9 使用納米孔結構的藍光μLED的色彩轉換。(a)填入量子點后納米孔SEM圖;(b)填入紅色量子點后μLED發光圖。

短波長μLED+發光介質法可以回避目前很難將μLED芯片巨量轉移到目標基板的問題，它也無需復雜的驅動電路。但這個方法需要將顏色轉換層精確地放置在尺寸很小的像素上，并且由于顏色轉換層會吸收部分能量，所以整體的亮度和色彩轉換效率都較低。目前常用的熒光粉材料的顆粒尺寸大，對于小尺寸的像素容易造成沉積不均勻，量子點材料尺寸小，但是材料存在穩定性較差且壽命短等缺點。

5.3 透鏡合成法

透鏡合成法是指通過透鏡將紅光、綠光和藍光進行合成，從而實現彩色化的方法，但是這種方法中像素仍為單色，它只是一種將圖像彩色化的方式。2013年，Liu等[31]使用三色棱鏡和投影透鏡來制備全彩微顯示器。如圖10所示，分別制備紅色、綠色和藍色的微顯示器，使用三色棱鏡將從3個單獨控制的微顯示器產生的圖案組合成彩色的圖像，再通過在三色棱鏡前增加投影透鏡，可以調整圖像顏色并將圖像投影到屏幕。投影出來的顏色可以通過改變3個單色微顯示器的強度來調整。這種方法在技術上較易實現，但僅限于在投影技術方面的應用。

圖10 透鏡合成法示意圖

6 μLED產業發展現狀

目前，μLED的潛在市場主要是平板顯示。隨著消費者對于節能、亮度、分辨率等方面需求的提高，以及μLED技術不斷地發展，μLED市場將不斷地增長。根據國際市場研究機構Research and Markets的預測，全球潛在μLED顯示市場2025年將達到205億美元。手機、智能手表、電視、筆記本電腦、增強現實/虛擬現實(AR/VR)等設備的需求，是市場增長的主要原因。隨著μLED顯示的優勢日益凸顯，國內外大批企業都開始著手μLED顯示的研發。2012年，索尼公司首先將μLED顯示技術在消費電子領域試用，在國際消費電子展(International Consumer Electronics Show)上展出了尺寸為55寸的“Crystal LED Display”電視，其上像素約600萬個，亮度約400 cd/m2。2014年，蘋果公司收購了擁有多項μLED顯示技術專利的LuxVue公司，將μLED技術用于Apple Watch及AR/VR方面。2019年，三星推出75英寸μLED電視，芯片尺寸為之前的1/15，PPI較之前增加了4倍左右。在國內，重慶惠科與Mikro Mesa于2017年初創立μLED面板實驗室。2019年，京東方公司與美國Rohinni成立μLED合資公司，主要針對μLED顯示器和Mini LED背光方面進行研發。

7 μLED應用前景

如前所述，μLED的效率、速度、壽命、亮度及分辨率都很高，同時具備輕薄、省電和全天候使用的優勢，使得它在顯示方面的應用尤為突出。初期應用包括柔性、透明顯示屏，AR/VR的微顯示、中小尺寸車載/機載顯示和大尺寸顯示屏等。

本實驗室率先提出HISID的概念，得到了國際信息顯示學會(SID)的認可。由于μLED器件尺寸在微米級，遠小于正常顯示像素(通常在幾百微米或更大)，發光的μLED芯片面積往往只占像素全部面積的千分之一，所以有足夠的空間來通過巨量轉移技術集成微型集成電路(IC)和各類微米級傳感器等非顯示元件，并使之成為交互式富媒體信息顯示終端，即HISID。其產品形態已經不是傳統的顯示屏，而很有可能有機地融入在室內和戶外裝潢之中。它將擁有許多非顯示功能，甚至可以與用戶進行一定程度的互動，實現“浸入式”效果，特別是在游戲、影視領域潛力巨大。若能實現基于μLED的照明、空間三維顯示、空間定位及信息通信高度集成的系統，并將μLED引入人工智能技術完成高度智能型高速信息交互空間網絡，這將成為繼互聯網、移動通信之后的第三代信息高速網絡，在民生和軍事上具有重大戰略性意義，同時也可以促成可交互的富媒體嶄新產業。目前，本實驗室聯合外延、顯示、封裝龍頭企業及科研院所，正在積極推進HISID研究，力爭使我國在新一輪國際競爭中先發制人。

8 結 論

本文介紹了μLED顯示技術的研究和進展情況，對μLED的基本原理和結構、重點技術以及研究發展現狀都做出了分析。μLED相比OLED、LCD等顯示技術有著顯著的優勢，但是目前還面臨許多問題亟待解決，如巨量轉移技術、全彩化方案、驅動電路的設計和實現以及后續的檢測和修復技術都尚不成熟，這些問題直接影響μLED顯示的量產和商業發展。這些問題多為工程技術問題而非本征性科學問題，產學兩界現在正在對其進行廣泛的研究。結合μLED在可穿戴、AR/VR等高端顯示方面的巨大潛力，我們有理由期待未來的研究在這些領域中取得突破，實現μLED顯示技術光明的前景。在μLED走向產業化的過程中，各國處在同一起跑線上，只要我們抓住機遇，就能掌握核心技術和自主知識產權，避免在未來顯示中被“卡脖子”。