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。



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。

▲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。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。



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。

▲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。



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。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，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。

▲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。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。

▲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：

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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



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