【科普】Micro-LED已诞生16年，一文了解它的成长史

    以下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.