【科普】Micro LED已誕生16年,一文瞭解它的成長史

由本期開始,本系列將通過淺顯易懂的科普文章為大家逐次介紹micro-LED技術的發展歷史、驅動方式、彩色化、發展趨勢等內容,力圖通過有限的文字使大家對micro-LED有一個初步的認識。

LED技術已經發展了近三十年,最初只是作為一種新型固態照明光源,之後雖應用於顯示領域,卻依然只是幕後英雄——背光模組。如今,LED逐漸從幕後走向台前,迎來最蓬勃發展的時期。如今它已多次出現在各種重要場合,在顯示領域扮演著越來越重要的角色。

LED應用於中國奧運建築鳥巢、水立方以及上海世博會。

LED之所以能夠成為當前的關注焦點,主要歸功於它許多得天獨厚的優點。它不僅能夠自發光,尺寸小,重量輕,亮度高,更有著壽命更長,功耗更低,響應時間更快,及可控性更強的優點。這使得LED有著更廣闊的應用範圍,並由此誕生出更高科技的產品。

解析度較低的LED大尺寸顯示螢幕。
8X8 LED陣列和Micro LED陣列的對比。

如今,LED大尺寸顯示屏已經投入應用於一些廣告或者裝飾牆等。然而其像素尺寸都很大,這直接影響了顯示圖像的細膩程度,當觀看距離稍近時其顯示效果差強人意。此時,micro-LED display 應運而生,它不僅有著LED的所有優勢,還有著明顯的高分辨率及便攜性等特點。

當前micro-LED display的發展主要有兩種趨勢。一個是索尼公司的主攻方向——小間距大尺寸高分辨率的室內/外顯示屏。另一種則是蘋果公司正在推出的可穿戴設備(如 Apple Watch),該類設備的顯示部分要求分辨率高、便攜性強、功耗低亮度高,而這些正是micro-LED的優勢所在。

Micro-LED display 已經發展了十數年,期間世界上多個項目組發佈成果並促進著相關技術進一步發展。例如,2001年日本Satoshi Takano團隊公佈了他們的研究的一組micro-LED陣列。

該陣列採用無源驅動方式,且使用打線連接像素與驅動電路,並將紅綠藍三個LED芯片放置在同一個硅反射器上,通過RGB的方式實現彩色化。該陣列雖初見成效,但也有著不容忽視的缺點,其分辨率與可靠性都還很低,不同LED的正嚮導通電壓差別比較大[1]。

同年,H. X. Jiang團隊也同樣做出了一個無源矩驅動的10×10 micro-LED array。這個陣列創新性的使用四個公共n電極和100個獨立p電極。並採用複雜的版圖設計以儘量最優化連線佈局。雖然顯示效果有一定的進步,但沒有解決集成能力低的問題[2]。

H.X. Jing團隊的10X10陣列連線布局。

另一個比較突出的成果是在2006年由香港科技大學團隊公佈的。同樣採用無源驅動,使用倒裝焊技術集成Micro-LED 陣列[3]。但是同一行像素的正嚮導通電壓也差別比較大,而且當該列亮起的像素數目不同時,像素的亮度也會受到影響,亮度的均勻性還不夠好。

香港科技大學團隊展示成果。

2008年,Z. Y. Fan團隊公佈另一個無源驅動的120×120的微陣列,其芯片尺寸為3.2mm×3.2mm,像素尺寸為20×12μm,像素間隔為22μm。尺寸方面已經明顯得到優化,但是,依然需要大量的打線,版圖佈局仍然十分複雜[4]。

而同年Z. Gong團隊公佈的微陣列,依然採用無源矩陣驅動,並使用倒裝焊技術集成。該團隊做出了藍光(470nm)micro-LED陣列和UV micro-LED(370nm)陣列,並成功通過UV LED陣列激發了綠光和紅光量子點證明了量子點彩色化方式的可行性[5]。

UV Micro LED陣列。
Micro LED陣列與Si-CMOS的集成。

此外,在該年,B. R. Rae 團隊成功集成了 Si-CMOS 電路,該電路可為UV LED提供合適的電脈衝信號,並集成了SPAS (single photo avalanche diode )探測器,主要應用於在便攜式螢光壽命讀寫器。然而其驅動能力比較弱,且工作電壓很高[6]。

2009年,香港科技大學Z. J. Liu所在團隊利用UV micro-LED陣列激發紅綠藍三色螢光粉,得到了全彩色的微LED顯示芯片[7]。2010年該團隊分別利用紅綠藍三種LED外延片製備出360 PPI的微LED顯示芯片[8],並把三個芯片集成在一起實現了世界上首個去背光源化的全彩色微LED投影機[9]。

全球首個去背光源的全彩Micro LED投影機。

之後,Z. J. Liu所在的香港科技大學團隊與中山大學團隊合力將微LED顯示的分辨率提高到1700 PPI,像素點距縮小到12微米,採用無源選址方式+倒裝焊封裝技術[10]。與此同時他們還成功製備出分辨率為846 PPI的WQVGA 有源選址微LED顯示芯片,並在該芯片中集成了光通訊功能[11]。

 



這些僅是micro-LED發展歷史中比較重要的一些成果。之後,關於micro-LED的探索不斷深入,更多的進展不斷被公佈,包括進一步減小尺寸,提高亮度的均勻性等,關於其驅動方式,製備工藝及彩色化的實現等方面也有著諸多討論,這些將在後續系列中進行介紹。


作者:劉召軍 張珂
光電集成實驗室(EPIL)
中山大學卡內基梅隆大學聯合工程學院(JIE)
廣東順德中山大學卡內基梅隆大學國際聯合研究院(JRI)
中山大學電子與信息工程學院(SEIT)

參考文獻:
[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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