LED微顯示技術

鄒兵等

摘要： LED微顯示是一種基于芯片上集成高密度二維發(fā)光二極管陣列的全固體主動發(fā)光器件，其擁有系統(tǒng)設計簡單、光能利用率高、響應速度快及工作溫度范圍寬等優(yōu)點。主要介紹了LED微顯示技術實現(xiàn)方式、最新進展及其應用前景。

關鍵詞： 微顯示器； LED陣列； 硅基CMOS； 彩色化顯示

中圖分類號： TN873 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.003

Abstract： The micro-size LED display is made of two-dimensional arrays of high-density light-emitting diodes. It is an all-solid active light-emitting device and has many advantages， including simple system design， high luminous efficiency， fast response and the wide range of operating temperature. In this paper， the design and fabrication of the micro-LED display devices will be reviewed and linked to their applications.

Keywords： micro-display； LEDs arrays； CMOS on silicon； colorization display

引 言

近幾年，隨著LED芯片工藝技術的日益進步，使得Micro-LED作為像素的LED微顯示技術成為可能[1-3]。2012年Day等[4]成功制作了分辨率為640×480、像素直徑為12 μm的InGaN/GaN量子阱結構LED微顯示陣列，顯現(xiàn)出LED微顯示技術巨大的應用前景。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和智能設備的普及，人們對信息呈現(xiàn)方式的多樣化需求也逐漸強烈。如何在小尺寸設備中實現(xiàn)更好的顯示，成為眾多應用領域亟待解決的問題。LED微顯示技術正是這樣一種合時宜的技術。相比目前市場上存在的其它幾種微顯示技術（如LCD技術、OLED技術、硅基液晶技術和DLP技術），LED微顯示技術這種自發(fā)光微顯示技術以其體積小、亮度高、響應速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點[5-6]而極具市場潛力。

1 LED微顯示實現(xiàn)方式

1.1 像素的結構

LED微顯示的像素單元采用成熟的多量子阱LED芯片技術[7]，最大限度地體現(xiàn)LED器件作為顯示器的優(yōu)勢。如圖1所示，以Choi等制作的InGaN基LED芯片為例[8]：像素結構從下往上依次為藍寶石襯底層，一層25 nm的GaN緩沖層，一層3 μm的N型GaN層（n=3×1018cm-3），一層包含5個周期的多量子阱（MQW）有源層（其中藍光芯片的MQW有源層包含5個周期的2.5 nm勢阱層/7.5 nm GaN勢壘層），一層0.25 μm的P型GaN接觸層（n=3×1017cm-3），電流擴展層和P型電極。像素單元一般通過四個步驟制作：第一步，通過ICP刻蝕工藝[9]，刻蝕溝槽至藍寶石層，在外延片上隔離出分離的長條形GaN平臺；第二步，在GaN平臺上，通過ICP刻蝕，確立每個特定尺寸的像素單元；第三步，通過剝離工藝在P型GaN接觸層上制作Ni/Au電流擴展層；第四步，通過熱沉積在N型GaN層和P型GaN接觸層上制作Ti/Au歐姆接觸電極，每一列像素的陰極通過N型GaN層共陰極連接，每一行像素的陽極根據(jù)驅動方式的不同選擇不同的方式連接。

1.2 像素陣列的驅動

1.2.1 驅動方式

LED微顯示陣列可以通過兩種方式實現(xiàn)驅動，根據(jù)結構的不同，有被動矩陣驅動方式和主動矩陣驅動方式。

如圖2所示，被動矩陣驅動方式中，將像素的電極做成矩陣型結構，即水平一組像素的同一性質電極共用，垂直一組像素的相同性質的另一電極共用。兩層電極之間通過沉積SiO2層進行電學隔離。其中陽極之間通過噴濺工藝，形成Ti/Au金屬連接，陰極之間通過共用N型GaN層形成連接。在實際電路驅動的過程中，采用逐行掃描的方式顯示。此種方式制作成本及技術門檻較低，但受制于驅動方式，無法很好地實現(xiàn)高分辨率顯示[8，10]。

如圖3所示，主動矩陣驅動方式中，所有像素陰極之間通過共用N型GaN層形成連接，每個像素的陽極與硅基CMOS驅動背板進行金屬鍵合，整體采用背發(fā)光方式[11-15]。這種驅動方式反應速度較快，不受掃描電極數(shù)的限制，每個像素單元可以單獨實現(xiàn)尋址，獨立控制，適合多數(shù)應用場合。

1.2.2 芯片和硅基CMOS驅動背板的鍵合

如圖4所示，在Liu等的研究中，采用了Au-In-Au金屬鍵合工藝，實現(xiàn)了LED陣列與硅基CMOS驅動背板的電學與物理連接[16-17]。制作過程中，首先在CMOS驅動背板中，通過噴濺工藝在接觸電極區(qū)域沉積一層100 nm的Ni/Au層作為黏附層和In擴散阻擋層。然后通過熱沉積和剝離工藝在Ni/Au層上沉積一層6 μm的In層。在回流爐中進行退火處理后，原先沉積的In層回流，形成一個球形的金屬球。最后通過倒裝焊設備即可實現(xiàn)LED微顯示陣列與驅動背板的對接。

2 LED微顯示的研究進展

隨著研究的不斷推進，LED微顯示的顯示性能不斷提高。2004年Choi等[8]采用被動方式驅動LED微顯示陣列，成功制作了尺寸為3 mm×2 mm，分辨率為128×96，像素尺寸為22 μm的藍色（468 nm）、綠色（508 nm）顯示芯片，在總注入電流為60 mA時亮度可達30 000 cd/m2。

2007年Gong等[18]采用被動方式驅動制作了分辨率為64×64，像素直徑16 μm，像素間距34 μm的藍色（470 nm）、綠色（510 nm）和紫外（370 nm）的LED微顯示陣列。Griffin等[17]采用硅基CMOS背板驅動的主動驅動方式，成功制作了分辨率為16×16、像素直徑為72 μm、像素間距28 μm的藍色和紫外LED微顯示陣列。

2012年Day等[4]采用硅基CMOS背板驅動的主動驅動方式，成功制作了芯片尺寸為3 mm×2 mm、分辨率為640×480、像素直徑為12 μm、像素間距為6 μm的綠色和藍色InGaN/GaN量子阱結構LED微顯示陣列，單個像素在1 μm的電流驅動下，亮度可達4×106cd/m2。單個像素的電流密度只有0.7A/cm2，是傳統(tǒng)的300 μm×300 μm LED指示燈芯片（22A/cm2）的1/30，更低的工作電流保證了LED微顯示芯片有著比傳統(tǒng)LED芯片更加優(yōu)秀的壽命表現(xiàn)。

2013年Chong等[19]采用硅基CMOS背板驅動的主動驅動方式，制作了芯片尺寸為4.5 mm×4.5 mm，分辨率為60×60，像素尺寸為50 μm，像素間距20 μm的紫外（380 nm）、紅色（630 nm）、綠色（535 nm）、藍色（445 nm）四種波長的LED微顯示陣列，并成功實現(xiàn)彩色投影顯示，LED微顯示的眾多優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。

3 目前存在的問題及解決方法的探索

3.1 像素間電流分布不均

無論采取哪種驅動方式，其中共陰極連接的電極都會存在這樣的問題：如圖5所示，隨著像素距離陰極接觸電極長度的增加，其導電通路的等效電阻增大，最終導致流過不同像素的電流分布不均。

Gong等、Liu等分析了問題產生原因[18，20]，并給出改進的電極設計方案。如圖6所示，在Gong等的方案中，在傳統(tǒng)的共陰極連接的基礎上，在GaN層增加一條金屬電流傳導線，使得像素間等效電阻的差異小于8%。如圖7所示，Liu等采用了環(huán)繞電極和雙電極的方法也極大提高了電流的分布均勻性。

3.2 像素間相互干擾

電流注入有源層后，輻射復合釋放出的光子會向各個方向隨機出射。為了避免像素間的干擾，在傳統(tǒng)的制作LED微顯示芯片時，通過ICP刻蝕，將外延層刻蝕至襯底層來實現(xiàn)像素間的電學和光學隔離。包興臻等[21]提出利用高反射率的均勻摻單晶硅納米顆粒的聚酰亞胺作為復合材料來填充隔離溝槽，將側面出射的光反射到上表面，實現(xiàn)了相鄰兩個發(fā)光單元之間的光學和電學隔離，具有一定參考意義。

3.3 外量子效率的提高

LED微顯示中，雖然基于載流子的輻射復合的內量子效率很高，但光子從有源層產生，至出射到自由空間的取光效率一直是限制光利用效率提升的一個關鍵因素。Gong等在制作LED陣列時[22]，使用襯底減薄的方式，減弱襯底的吸收作用，部分的提高了外量子效率。梁靜秋等在制作LED微顯示陣列時運用分布式布拉格反射光柵的方式來提高單個像素的取光效率[23]。

4 LED微顯示的彩色化

4.1 通過三種顏色LED陣列混合顯示彩色

當外延片以藍寶石為襯底，有源區(qū)為InGaN/GaN量子阱結構時，通過改變InGaN/GaN中InGaN的相對百分比，調整三元半導體InGaN中In摩爾組份，就可以得到1.95 eV到3.40 eV連續(xù)變化的直接帶隙半導體，可以制備高效發(fā)光的藍色、綠色、紅色LED芯片[24]。通過三種顏色芯片和合色棱鏡的作用，即可顯示彩色圖像。

Liu等采用這種方式成功制作出三色LED微陣列，實現(xiàn)了彩色投影顯示[25]。

4.2 通過三色熒光粉實現(xiàn)彩色化

傳統(tǒng)LED照明中采用的藍光或紫外光加熒光粉的方式，LED微顯示中也可以用此種方式實現(xiàn)彩色顯示。目前Zhang等已經實現(xiàn)了紫外LED陣列微顯示的制作。如圖8所示，Xu等提出利用掩膜版和含有量子點熒光粉的溶液通過噴霧沉積的方式[26]，在特定區(qū)域沉積特定熒光粉的技術來實現(xiàn)LED微陣列的彩色化顯示，具有很大的實踐意義。

4.3 白光加濾色片實現(xiàn)彩色化

類似于液晶顯示的方式，通過藍光混合黃光熒光粉產生白光。再通過濾色片取色，實現(xiàn)彩色化也是一種可行的方案。但白光通過濾色片提取單色光的效率很低，使用此方式無法實現(xiàn)高亮度顯示。

在彩色化現(xiàn)實中，三色LED陣列制作工藝簡單，能量利用效率更高，但由于需要合色棱鏡，將不利于設備的小型化。三色熒光粉實現(xiàn)彩色化顯示時，系統(tǒng)的光學設計更簡單，但會在顯示分辨率的提高上存在困難。根據(jù)應用場景的不同，合理的選擇不同方式將會是實現(xiàn)彩色化顯示的最佳方案。

5 LED微顯示應用前景

目前市場上主要有四種微顯示技術[27]：LCD技術、OLED技術、硅基液晶技術（LCOS）[28]和DLP技術。技術之間對比見表1。其中LCD微顯示器是目前發(fā)展較為成熟的微顯示技術，但其需要背光源，且亮度較低，應用場景受到很大限制。OLED型微顯示器是一種有機電致發(fā)光的全固體顯示器件，雖然有許多優(yōu)點，但由于核心部分為有機材料，目前仍存在著不易實現(xiàn)全彩顯示、有機發(fā)光層制作困難以及有機物老化導致壽命較短等缺陷。LCOS微顯示器雖具有高分辨率、高亮度、輕薄及壽命長等優(yōu)點，但其顯示光學系統(tǒng)過于復雜、制作困難及生產成本較高，使得LCOS應用研究逐漸陷入低谷。DLP技術由于其在微小尺寸顯示上并不具有優(yōu)勢，因此市場前景有限。

LED微顯示器相對比其他類型的微顯示器有其獨特的優(yōu)點，以谷歌眼鏡為代表的新一代智能設備正預示著微顯示市場的美好未來。LED微顯示技術由于先天的優(yōu)勢，將代表著微顯示未來的方向，應引起企業(yè)和研究機構的重視。

參考文獻：

[1] JIN S X，Li J，LI J Z，et al.GaNmicrodisk Light emitting diodes[J].Applied Physics Letters，2000，76（5）：631-633.

[2] CHOI H W，JEON C W，DAWSON M D，et al.Efficient GaN-based micro-LED arrays[C]//Materials Research Society Symposium Proceedings.Warrendale，Pa：Materials Research Society，2002，743：433-438.

[3] JEON C W，CHOI H W，DAWSON M D.Fabrication of matrix-addressable InGaN-based micro-displays of high array density[J].IEEE Photonics Technology Letters，2003，15（11）：1516-1518.

[4] DAY J，LI J，LIE D Y C，et al.III-Nitride full-scale high-resolution micro-displays[J].Applied Physics Letters，2011，99（3）：031116.

[5] ZHANG H X，MASSOUBRE D，MCKENDRY J，et al.Individually-addressable flip-chip AlInGaNmicro-pixelated light emitting diode arrays with high continuous and nanosecond output power[J].Optics express，2008，16（13）：9918-9926.

[6] CHOI H W，JEON C W，DAWSON M D，etal.Mechanism of enhanced light output efficiency in InGaN-based micro-light emitting diodes[J].Journal of Applied Physics，2003，93（10）：5978-5982.

[7] KIM H M，CHO Y H，LEE H，et al.High-brightness light emitting diodes using dislocation-free indium gallium nitride/gallium nitride multi-quantum-well nanorodarrays [J].Nano letters，2004，4（6）：1059-1062.

[8] CHOI H W，JEON C W，DAWSON M D.High-resolution 128×96 nitride micro-display[J].IEEE Electron Device Letters，2004，25（5）：277-279.

[9] CHOI H W，JEON C W，DAWSON M D.Tapered sidewall dry etching process for GaN and its applications in device fabrication [J].Journal of Vacuum Science & Technology B，2005，23（1）：99-102.

[10] JEON C W，CHOI H W，GU E，et al.High-density matrix-addressable AlInGaN-based 368-nm microarray light-emitting diodes[J].IEEE Photonics Technology Letters，2004，16（11）：2421-2423.

[11] LIU Z J，CHONG W C，WONG K M，et al.360 PPI flip-chip mounted active matrix addressable light emitting diode on silicon （LEDoS） micro-displays[J].Journal of Display Technology，2013，9（8）：678-682.

[12] DAY J，LI J，LIE D Y C，et al.Full-scale self-emissive blue and green micro-displays based on GaN micro-LED arrays[C]//Quantum Sensing and Nanophotonic Devices IX.San Francisco：SPIE，2012：82681X.

[13] ZHANG H X，GU E，JEON C W，et al.Microstripe-array InGaN light-emitting diodes with individually addressable elements[J].IEEE Photonics Technology Letters，2006，18（15）：1681-1683.

[14] MCKENDRY J J D，RAE B R，GONG Z，et al.Individually addressable AlInGaN micro-LED arrays with CMOS control and subnanosecond output pulses[J].IEEE Photonics Technology Letters，2009，21（12）：811-813.

[15] ZHANG S，MCKENDRY J，GONG Z，et al.Directly color-tunable smart display based on a CMOS-controlLED micro-LED array[C]//2012 IEEE Photonics Conference （IPC），Burlingame，CA：IEEE，2012：435-436.

[16] LIU Z J，WONG K M，KEUNG C W，et al.Monolithic LEDmicrodisplay on active matrix substrate using flip-chip technology[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2009，15（4）：1298-1302.

[17] GRIFFIN C，ZHANG H，GUILHABERT B，et al.Micro-pixellated flip-chip InGaN and AlInGaN light-emitting diodes[C]//Conference on Lasers and Electro-Optics.Baltimore，MD：IEEE，2007：CMF2.

[18] GONG Z，ZHANG H X，GU E，et al.Matrix-addressable micro-pixellatedInGaN light-emitting diodes with uniform emission and increased light output [J].IEEE Transactions on Electron Devices，2007，54（10）：2650-2658.

[19] CHONG W C，WONG K M，LIU，et al.A novel full-color 3LED projection system using R-G-B light emitting diodes on silicon （LEDoS） micro-displays[C]//SID Symposium Digest of Technical Papers.Hong Kong：Wiley-Blackwell，2013，44（1）：838-841.

[20] LIU Z J，CHONG W C，WONG K M，et al.Investigation of forward voltage uniformity in monolithic light-emitting diode arrays[J].IEEE Photonics Technology Letters，2013，25（13）：1290-1293.

[21] 包興臻，梁靜秋，梁中翥，等.AlGaInP-LED微陣列單元側反射對出光效率的影響[J].液晶與顯示，2013，28（5）：726-731.

[22] GONG Z，GU E，JIN S R，et al.Efficient flip-chip InGaN micro-pixellated light-emitting diode arrays：promising candidates for micro-displays and colorconversion[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2008，41（9）：094002.

[23] 梁靜秋，李佳，王維彪.LED陣列的設計和制作工藝研究[J].液晶與顯示，2006，21（6）：604-608.

[24] GONG Z，LIU N Y，TAO Y B，et al.Electrical，spectral and optical performance of yellow-green and amber micro-pixelated InGaN light-emitting diodes[J].Semiconductor Science and Technology，2012，27（1）：015003.

[25] LIU Z J，CHONG W C，WONG K M，et al.GaN based light-emitting diode on silicon （LEDoS） micro-displays for BLU-free full-color projector application[C]//2013 IEEE Photonics Conference （IPC）.Bellevue，WA：IEEE，2013：171-172.

[26] XU J，RUZYLLO J，SHANMUGASUNDARAM K，et al.Mist fabrication of quantum dot devices：U.S.Patent，8222061[P].2012-7-17.

[27] 梁靜秋.微顯示器件的研究進展[J].光機電信息，2010，27（12）：21-27.

[28] 王蓉，劉玉玲，余飛鴻.微型投影儀的照明系統(tǒng)設計[J].光學儀器，2006，28（5）：46-51.

（編輯：程愛婕）