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【干货】解析Micro-LED

日期: 2021-09-19 02:25:57 来源:乐鱼直播吧 作者:乐鱼软件

  近来,为了更全面的了解microLED的技能开展与市场潜力,在线君对microLED的前史、现况、原理、制程及参加企业等多方面做了全面的整理。

  说起Micro LED,先得从显现TFT-LCD背光模组运用说起。在1990年代TFT-LCD开端蓬勃开展时,因LED具有高色彩饱和度、省电、轻浮等特征,部分厂商就运用LED做背光源。可是因本钱过高、散热欠安、光电功率低一级要素,并未很多运用于TFT-LCD产品中。

  直到2000年,蓝光LED芯片影响荧光粉制成白光LED技能的制程、效能、本钱开端逐步老练;当进入2008年,白光LED背光模组出现爆发性的成长,几年间简直全面替代了CCFL,其运用领域由手机、平板电脑、笔电、台式显现器乃至电视等等。

  可是,因TFT-LCD非自发光的显现原理所构成的,其opencell穿透率约在7%以下,构成TFT-LCD的光电功率失落;且白光LED所能供给的色饱和度仍不如三原色LED,大部分TFT-LCD产品约仅72%NTSC;再则,于室外环境下,TFT-LCD亮度无法提高至1000nits以上,致使印象和色彩辨识度低,为其一大运用缺点。故另一种直接运用三原色LED做为自发光显现点划素的LED Display或Micro LED Display的技能也正在开展中。

  跟着LED的老练与演进,Micro LED Display自2010年起开端有着不一样的相貌出现。

  从其开展进程来看,2012年Sony宣布的55寸“CrystalLEDDisplay”便是MicroLEDDisplay技能类型,其FullHD解析度共运用约622万(1920x1080x3)颗micro LED做为高解析的显现划素,对比度可达百万比一,色饱和度可达140%NTSC,无反应时间和运用寿命问题。可是因采单颗MicroLED嵌入办法,在商业化上,仍有不少的本钱与技能瓶颈存在,以致于迄今未能量产。

  尽管MicroLED理论上是皆可运用各类尺度产品,但从本身良率及制程来看,现在对解析度凹凸的需求与良率成反比,所以对解析度要求不高的穿戴式产品的显现器因尺度面积小、制造良率较高、契合节电需求,而被优先导入microLED。

  一般LED芯片包括基板和磊晶层其厚度约在100~500μm,且尺度介于100~1000μm。而更进一步正在进行的Micro LED Display研讨在于将LED外表厚约4~5μm磊晶层用物理或化学机制剥离,再移植至电路基板上。

  其Micro LED Display归纳TFT-LCD和LED两大技能特征,在资料、制程、设备的开展较为老练,产品标准远高于现在的TFT-LCD或OLED,运用领域更为广泛包括软性、通显着现器,为一可行性高的次世代平面显现器技能。

  自2010年后各厂商活跃于Micro LED Display的技能整合与开发,然因Micro LED Display没有有规范的μLED结构、量产制程与驱动电路规划,各厂商其专利布局更是兵家必争之地。

  迄2016年止,已被Apple并购的Luxvue、MikroMesa、SONY、leti等公司皆已具数量规划的专利申请案,更有为数众多的公司与研讨机构投入相关的技能开发。

  Micro LED Display的显现原理,是将LED结构规划进行薄膜化、细小化、阵列化,其尺度仅在1-10μm等级左右;后将Micro LED批量式搬运至电路基板上,其基板可为硬性、软性之通明、不通明基板上;再运用物理堆积制程完结保护层与上电极,即可进行上基板的封装,完结一结构简略的MicroLED显现。

  而要制成显现器,其晶片外表有必要制造成好像LED显现器般之阵列结构,且每一个点划素有必要可定址操控、独自驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体电路驱动则为自动定址驱动架构,MicroLED阵列晶片与CMOS间可透过封装技能。

  黏贴完结后Micro LED能藉由整合微透镜阵列,前进亮度及对比度。Micro LED阵列经由笔直交织的正、负栅状电极衔接每一颗Micro LED的正、负极,透过电极线的依序通电,透过扫描办法点亮Micro LED以显现印象。

  Micro LED典型结构是一PN接面二极管,由直接能隙半导体资料构成。当对Micro LED上下电极施加一正向偏压,致使电流经过期,电子、空穴关于自动区复合,发射出单一色光。MicroLED光谱主波长的FWHM约20nm,可供给极高的色饱和度,通常可120%NTSC。

  并且自2008年今后,LED光电转化功率得到了大幅前进,100lm/W以上已成量产规范。因而关于Micro LED显现的运用,因其自发光的显现特性,调配简直无光耗元件的简易结构,就可容易完成低能耗或高亮度的显现器规划。

  这样可处理现在显现器运用的两大问题,一是穿戴型设备、手机、平板等设备的80%以上的能耗在于显现器上,低能耗的显现器技能可供给更长的电池续航力;二是环境光较强致使显现器上的印象泛白、辨识度变差的问题,高亮度的显现技能可使其运用的领域愈加广大。

  关于半导体与芯片的制程微缩现在已到极限,而在制造上的微缩却还存在相当大的成长空间,关于Micro LED制程上,现在首要出现分为三大品种:Chip bonding、Wafer bonding和Thin film transfer。

  在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP),直接构成微米等级的MicroLED磊晶薄膜结构,此结构之固定距离即为显现划素所需的距离,再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱动电路基板上,最终运用物理或化学机制剥离基板,仅剩4~5μm的MicroLED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上构成显现划素。

  运用物理或化学机制剥离LED基板,以一暂时基板承载LED磊晶薄膜层,再运用感应耦合等离子离子蚀刻,构成微米等级的MicroLED磊晶薄膜结构;或许,先运用感应耦合等离子离子蚀刻,构成微米等级的MicroLED磊晶薄膜结构,再运用物理或化学机制剥离LED基板,以一暂时基板承载LED磊晶薄膜结构。

  最终,依据驱动电路基板上所需的显现划素点距离,运用具有选择性的搬运治具,将Micro LED磊晶薄膜结构进行批量搬运,键接于驱动电路基板上构成显现划素。

  尽管Micro LED显现现已备受企业重视和加大研制,在标准上也较LCD具有多重优点,乃至划质上可与OLED相媲美,可是现阶段该显现器开展并未遍及,首要困难点有三大方面。

  榜首,在于LED固晶上。以现在已老练的LED灯条制程为例,在制造一LED灯条尚有坏点等失利问题发生,何况是一片显现器上要嵌入数百万颗微型LED。而LCD与OLED已采批次作业,良率体现相对较佳。

  第二,在LED组件上。覆晶LED适合于MicroLED显现,因其体积小、易制造成微型化,不需金属导线、可减缩LED彼此间的空隙等,尽管FlipChip现在的良率还有必定问题,可是跟着LED的技能的逐步完善和本钱的不断注入,现已在稳步提高。

  第三,在规划化搬运上。未来MicroLED显现困难处在于嵌入LED制程不易采大批量的作业办法,尤其是RGB的3色LED较单色难度更高。可是未来跟着LED黏着、印刷等技能办法的提高,则有利于MicroLED显现导入量产化阶段。

  Micro-LEDdisplay的五颜六色化是一个重要的研讨方向。在当今寻求五颜六色化以及其高分辨率高对比率的严峻趋势下,世界上各大公司与研讨机构提出多种处理办法并在不断拓宽中,本文将对首要的几种Micro-LED五颜六色化完成办法进行评论,包括RGB三色LED法、UV/蓝光LED 发光介质法、光学透镜组成法。

  RGB-LED全彩显现显现原理首要是根据三原色(红、绿、蓝)调色根本原理。众所周知,RGB三原色经过必定的配比能够组成自然界中绝大部分色彩。同理,对赤色-、绿色-、蓝色-LED,施以不同的电流即可操控其亮度值,然后完成三原色的组合,到达全五颜六色显现的作用,这是现在LED大屏幕所遍及选用的办法[1]。

  在RGB五颜六色化显现办法中,每个像素都包括三个RGB三色LED。一般选用键合或许倒装的办法将三色LED的P和N电极与电路基板衔接,详细布局与衔接办法如图1所示[2]。

  之后,运用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制(PWM)电流驱动,PWM电流驱动办法能够经过设置电流有用周期和占空比来完成数字调光。例如一个8位PWM全彩LED驱动芯片,能够完成单色LED的28=256种调光作用,那么关于一个含有三色LED的像素理论上能够完成256*256*256=16,777,216种调光作用,即16,777,216种色彩显现。详细的全彩化显现的驱动原理如图2所示[2]。

  可是事实上因为驱动芯片实践输出电流会和理论电流有差错,单个像素中的每个LED都有必定的半波宽(半峰宽越窄,LED的显色性越好)和光衰现象,继而发生LED像素全彩显现的误差问题。

  UV LED(紫外LED)或蓝光LED 发光介质的办法能够用来完成全五颜六色化。其间若运用UVmicro-LED,则需激起红绿蓝三色发光介质以完成RGB三色配比;如运用蓝光micro-LED则需求再调配赤色和绿色发光介质即可,以此类推。该项技能在2009年由香港科技大学刘纪美教授与刘召军教授申请专利并已取得授权(专利号:US13/466,660,US14/098,103)。

  发光介质一般可分为荧光粉与量子点(QD:Quantum Dots)。纳米资料荧光粉可在蓝光或紫外光LED的激起下宣布特定波长的光,光色由荧光粉资料决议且简略易用,这使得荧光粉涂覆办法广泛运用于LED照明,并可作为一种传统的micro-LED五颜六色化办法。

  荧光粉涂覆一般在micro-LED与驱动电路集成之后,再经过旋涂或点胶的办法涂覆于样品外表。图3则是一种荧光粉涂覆办法的运用,其间(a)图显现一个像素单元中包括红绿蓝4个子像素,图(b)则显现了micro-LED点亮后的五颜六色作用[3]。

  该办法直观易懂却存在不足之处,其一荧光粉涂层将会吸收部分能量,下降了转化率;其二则是荧光粉颗粒的尺度较大,约为1-10微米,跟着micro-LED像素尺度不断减小,荧光粉涂覆变的愈加不均匀且影响显现质量。而这让量子点技能有了大放异彩的时机。

  量子点,又可称为纳米晶,是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1~10nm之间,可适用于更小尺度的micro-display。量子点也具有电致发光与光致放光的作用,受激后能够发射荧光,发光色彩由资料和尺度决议,因而可经过调控量子点粒径巨细来改动其不同发光的波长。

  当量子点粒径越小,发光色彩越偏蓝色;当量子点越大,发光色彩越偏赤色。量子点的化学成分多样,发光色彩能够掩盖从蓝光到红光的整个可见区。并且具有高才能的吸光-发光功率、很窄的半高宽、宽吸收频谱等特性,因而具有很高的色彩纯度与饱和度。且结构简略,薄型化,可弯曲,十分适用于micro-display的运用[4]。

  现在常选用旋转涂布、雾状喷涂技能来开发量子点技能,即运用喷雾器和气流操控来喷涂出均匀且尺度可控的量子点,设备与原理示意图如图4所示[5]。将其涂覆在UV/蓝光LED上,使其受激起出RGB三色光,再经过色彩配比完成全五颜六色化,如图5所示[5]。

  可是上述技能存在的首要问题为各色彩均匀性与各色彩之间的相互影响,所以处理红绿蓝三色别离与各色均匀性成为量子点发光二极管运用于微显现器的重要难题之一。

  此外,当时量子点技能还不行老练,还存在着资料安稳性欠好、对散热要求高、且需求密封、寿命短等缺点。这极大了约束了其运用规模,但跟着技能的前进和老练,咱们等待量子点将有时机扮演更重要的人物。

  透镜光学组成法是指经过光学棱镜(TrichroicPrism)将RGB三色micro-LED组成全五颜六色显现。详细办法是是将三个红、绿、蓝三色的micro-LED阵列别离封装在三块封装板上,并衔接一块操控板与一个三色棱镜。

  之后可经过驱动面板来传输图片信号,调整三色micro-LED阵列的亮度以完成五颜六色化,并加上光学投影镜头完成微投影。整个体系的实物图与原理图如图6所示,显现作用如图7所示[6]。

  Micro-LED是电流驱动型发光器材,其驱动办法一般只要两种形式:无源选址驱动(PM:Passive Matrix,又称无源寻址、被迫寻址、无源驱动等等)与有源选址驱动(AM:ActiveMatrix,又称有源寻址、自动寻址、有源驱动等),此文还延伸有源驱动的另一种“半有源”驱动。这几种形式具有不同的驱动原理与运用特征,下面将经过电路图来详细介绍其原理。

  无源选址驱动形式把阵列中每一列的LED像素的阳极(P-electrode)衔接到列扫描线(Data Current Source),一起把每一行的LED像素的阴极(N-electrode)衔接到行扫描线(ScanLine)。当某一特定的第Y列扫描线和第X行扫描线被选通的时分,其交叉点(X,Y)的LED像素即会被点亮。整个屏幕以这种办法进行高速逐点扫描即可完成显现划面,如图1所示。[1,2]。

  别的一种优化的无源选址驱动办法是在列扫描部分参加锁存器,其作用是把某一时间第X行一切像素的列扫描信号(Y1,Y2……Yn)提早存储在锁存器中。当第X行被选通后,上述的Y1-Yn信号一起加载到像素上[3]。这种驱动办法能够下降列驱动信号频率,添加显现划面的亮度和质量。但仍然无法战胜无源选址驱动办法的天然生成缺点:连线杂乱,易串扰,像素选通信号无法保存等。而有源选址驱动办法为上述困难供给了杰出的处理方案。

  在有源选址驱动电路中,每个Micro-LED像素有其对应的独立驱动电路,驱动电流由驱动晶体管供给。根本的有源矩阵驱动电路为双晶体管单电容(2T1C:2Transistor 1Capacitor)电路,如图2所示[4]。

  每个像素电路中运用至少两个晶体管来操控输出电流,T1为选通晶体管,用来操控像素电路的开或关。T2是驱动个晶体管,与电压源联通并在一场(Frame)的时间内为Micro-LED供给安稳的电流。该电路中还有一个存储电容C1来贮存数据信号(Vdata)。当该像素单元的扫描信号脉冲完毕后,存储电容仍能坚持驱动晶体管T2栅极的电压,然后为Micro-LED像素连绵不断的驱动电流,直到这个Frame完毕。

  2T1C驱动电路仅仅有源选址Micro-LED的一种根本像素电路结构,它结构较为简略并易于完成。但因为其本质是电压操控电流源(VCCS),而Micro-LED像素是电流型器材,所以在显现灰度的操控方面会带来必定的难度,这一点咱们在后面的《Micro-LED的五颜六色化与灰阶》部分中会评论。刘召军博士课题组曾提出一种4T2C的电流份额型Micro-LED像素电路,选用电流操控电流源(CCCS)的办法,在完成灰阶方面具有优势[5]。

  别的需求提及的是一种“半有源”选址驱动办法[6]。这种驱动办法选用单晶体管作为Micro-LED像素的驱动电路(如图3所示),然后能够较好地防止像素之间的串扰现象。

  与无源选址比较,有源选址办法有着显着的优势,愈加适用于Micro-LED这种电流驱动型发光器材。现详细分析如下:

  ①有源选址的驱动才能更强,可完成更大面积的驱动。而无源选址的驱动才能受外部集成电路驱动功能的影响,驱动面积于分辨率受约束。

  以蓝宝石衬底上外延成长的蓝光Micro-LED为例,像素和驱动晶体管T2的衔接办法有图4所示的4种。但因为LED外延成长结构是p型氮化镓(GaN)在最外表而n型氮化镓在底层,如图5所示。

  而图4(c)中的Micro-LED像素衔接在P型驱动晶体管的漏极(Drain),能够防止上述影响,其电流-电压联系图6所示。因而,有P管像素电路驱动Micro-LED较为适合。

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