極性相反結(jié)構(gòu)的micro-LED和OLED混合集成顯示器件的驅(qū)動(dòng)

何 爽 ， 胡興元 ， 黃忠航 ， 夏志明 ， 陳紹杭 ， 劉明洋 ，楊天溪 ， 周雄圖 ，， 嚴(yán) 群 ，，3， 孫 捷 ，

（1.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院， 福建 福州 350000；2.中國(guó)福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350000；3.晉江市博感電子科技有限公司， 福建 泉州 362200）

1 引 言

LCD（Liquid Crystal Display）和 OLED（Organic Light-Emitting Diode）顯示技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)的主流顯示技術(shù)。LCD借助于背光板和光源通過(guò)在極板兩側(cè)調(diào)節(jié)電壓來(lái)控制液晶的偏轉(zhuǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示，液晶本身并不發(fā)光。由于液晶分子的各向異性和材料的粘滯度等影響，其存在響應(yīng)速度慢、視角小、難以實(shí)現(xiàn)高分辨率和超薄顯示等弊端。OLED相較于LCD，因其采用自發(fā)光的方式，便于實(shí)現(xiàn)超薄和較高分辨率顯示［1-9］。但是在具體的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程中，OLED存在藍(lán)光發(fā)光材料的光效低的弊端；同時(shí)藍(lán)光光子的能量較高［10-11］，容易引起藍(lán)光材料的衰變，因而存在壽命短、亮度衰減快等問(wèn)題，目前主要通過(guò)增大藍(lán)光像素尺寸來(lái)提高藍(lán)光OLED的使用壽命，這使得其在高分辨率上的發(fā)展難以進(jìn)一步突破。因此，micro-LED （Light-Emitting Diode）顯示技術(shù)逐漸走進(jìn)大眾的視野。

Micro-LED是由微米級(jí)別的自發(fā)光LED為像素單元構(gòu)成的高密度LED陣列，不僅具有超薄、高分辨率的優(yōu)良顯示效果，同時(shí)具備高發(fā)光效率、高壽命等優(yōu)點(diǎn)［12-14］，但在具體的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，micro-LED在綠光和紅光器件中的光提取效率遠(yuǎn)低于藍(lán)光器件，同時(shí)OLED在綠光波段與紅光波段具有外量子效率超過(guò)50%的良好表現(xiàn)，而在藍(lán)光波段表現(xiàn)出較差的工作壽命［15］?；谝陨显?，將藍(lán)光micro-LED和紅綠OLED結(jié)合在同一個(gè)RGB像素中，更易于實(shí)現(xiàn)光效的最大化。

另一個(gè)值得注意的問(wèn)題是，傳統(tǒng)的顯示器件由3個(gè)單一的子像素點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)RGB像素陣列，對(duì)于不同的子像素都需要有各自適配的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其驅(qū)動(dòng)［16-18］。Micro-LED向著更小的尺寸和高密度的方向發(fā)展，使得所需控制的像素點(diǎn)較多，其整體的外圍硬件電路的規(guī)模進(jìn)一步提高，硬件電路的整體復(fù)雜程度也進(jìn)一步增大［19］。

基于以上原因，本課題組提出了一種由GaN micro-LED與OLED結(jié)合的全彩無(wú)源矩陣（PM）交流（AC）顯示器件，GaN micro-LED與OLED雖涉及無(wú)機(jī)、有機(jī)相關(guān)工藝的結(jié)合，但兩種工藝的結(jié)合已經(jīng)不再是無(wú)法跨域的橫溝，有團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的結(jié)合并且實(shí)現(xiàn)了在光電應(yīng)用方面的設(shè)計(jì)［20］；同時(shí)本組所在的科研團(tuán)隊(duì)在AC器件的預(yù)研階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了LED和OLED兩種工藝結(jié)合，并且實(shí)現(xiàn)了器件的點(diǎn)亮和測(cè)試。在工藝流程中為了更加便捷地制備和提升生產(chǎn)工藝中的良率，同時(shí)為了盡可能地節(jié)省引腳，減少整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜程度，將一組OLED與LED反向并聯(lián)共用一組電極。除此之外，反向并聯(lián)還可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)器件的分時(shí)調(diào)控，避免二者之間的互相干擾，且便于實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸和控制。選取綠光OLED與藍(lán)光micro-LED反向并聯(lián)，再與一組紅光OLED共同組成RGB像素點(diǎn)，使得像素點(diǎn)既具有紅綠光高效率的優(yōu)勢(shì)，又具有高像素密度和長(zhǎng)時(shí)間工作壽命等優(yōu)點(diǎn)。

在對(duì)AC顯示器件進(jìn)行外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)有如下問(wèn)題：（1）AC器件存在反向并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，反向并聯(lián)的藍(lán)綠像素點(diǎn)使紅綠OLED工作時(shí)與藍(lán)光micro-LED沖突，傳統(tǒng)的掃描電路無(wú)法連續(xù)依次掃描發(fā)光點(diǎn)，也無(wú)法設(shè)計(jì)多路同步控制電路，同時(shí)點(diǎn)亮一個(gè)全彩像素點(diǎn)。因此傳統(tǒng)的像素點(diǎn)顯示驅(qū)動(dòng)方案已經(jīng)不能滿足AC器件的驅(qū)動(dòng)要求。（2）在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，相同電壓控制下藍(lán)光micro-LED的光強(qiáng)遠(yuǎn)大于紅綠OLED，在顯示器件的具體顯示過(guò)程中會(huì)造成色彩顯示不均勻的情形。

全彩顯示器件的驅(qū)動(dòng)較為成熟，除了傳統(tǒng)的方案之外，還有奇偶行交叉掃描控制與雙驅(qū)動(dòng)器的方案［21］，但其均不適合本文所描述的新型顯示器件。因此，本文提出一種AC顯示驅(qū)動(dòng)方案，通過(guò)同向的紅綠OLED像素點(diǎn)先點(diǎn)亮，輸入、輸出端反向后藍(lán)光LED像素點(diǎn)后點(diǎn)亮的單行雙向掃描的方案，實(shí)現(xiàn)存在反向并聯(lián)結(jié)構(gòu)的AC器件的全彩顯示。同時(shí)，因紅綠OLED和藍(lán)光micro-LED先后點(diǎn)亮，便于控制藍(lán)光像素點(diǎn)的輸入占空比，達(dá)到均衡三者色彩均勻性的目的。此文所設(shè)計(jì)的顯示驅(qū)動(dòng)方案對(duì)于AC器件的驅(qū)動(dòng)能起到良好的效果，對(duì)于后續(xù)的疊成結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，以及未來(lái)高密度超薄的顯示都具有促進(jìn)和推動(dòng)作用。

2 AC顯示器件簡(jiǎn)介

基于顯示材料的選取遵循高發(fā)光效率和長(zhǎng)使用壽命的原則。OLED的發(fā)光層由有機(jī)物構(gòu)成，在使用壽命上存在較大缺陷，同時(shí)由于材料的限制，其發(fā)光效率不高，OLED存在藍(lán)光發(fā)光材料光效低的弊端，藍(lán)光材料在具體顯示時(shí)其亮度也下降較快，如圖1所示。目前主要是通過(guò)增大藍(lán)光像素尺寸的方法來(lái)提高藍(lán)光OLED的使用壽命，這使得其在高分辨率上的發(fā)展難以進(jìn)一步突破。對(duì)于無(wú)機(jī)發(fā)光二極管LED，其藍(lán)光器件的外量子效率遠(yuǎn)超紅綠器件，同時(shí)有機(jī)發(fā)光二極管OLED在綠光波段與紅光波段具有外量子效率超過(guò)50%的良好表現(xiàn)，而藍(lán)光波段則表現(xiàn)出較差的工作壽命。因此綜合以上因素，為了更好地實(shí)現(xiàn)高密度、超薄以及高壽命使用，選取藍(lán)光micro-LED和綠光OLED反向并聯(lián)為最佳選擇，同時(shí)再選取紅光OLED與綠光OLED同向排布，共同構(gòu)成AC顯示器件單個(gè)RGB像素點(diǎn)。

圖1 理想OLED RGB排列和實(shí)際像素排列狀況Fig.1 Ideal OLED RGB arrangement and actual pixel arrangement

AC器件主要包括OLED、micro-LED以及具備多組電極的基板，LED和OLED通過(guò)基板上的一組電極連接，所述電極與micro-LED的陰極和OLED的陽(yáng)極相連；同一基板上的其他電極或其他基板上的電極則連接至LED的陽(yáng)極和OLED的陰極。

相較于傳統(tǒng)的RGB像素點(diǎn)，因藍(lán)光micro-LED與綠光OLED反向并聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在，共用一組電極，減少了1/3列電極的使用。對(duì)于顯示器件的大規(guī)模驅(qū)動(dòng)而言，有效減少外圍驅(qū)動(dòng)電路的難度和整體的體積，更有利于實(shí)現(xiàn)高分辨率和超薄顯示。

預(yù)研片的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，在相同測(cè)試條件下，對(duì)于AC器件而言，藍(lán)光LED所發(fā)出的光強(qiáng)大于OLED發(fā)出的綠光和紅光，紅綠OLED光強(qiáng)則較為接近，因此將綠光OLED和紅光OLED同向布放，使二者可以在相同信號(hào)下刷新，有利于色彩的均衡性。

圖2所示為AC顯示器件的結(jié)構(gòu)圖。現(xiàn)階段分辨率為24×16，像素點(diǎn)大小為100 μm，單像素間距在600 μm左右。最終的顯示器件相較于預(yù)研片，除尺寸外其余所有工藝流程相同，主要通過(guò)外延生長(zhǎng)技術(shù)制備出GaN基藍(lán)光micro-LED外延片，進(jìn)行光刻、刻蝕、鍍膜等一系列半導(dǎo)體圖形化工藝得到所需的藍(lán)光micro-LED陣列顯示芯片，之后通過(guò)熱蒸鍍技術(shù)將OLED蒸鍍?cè)趍icro-LED的N-GaN層上，首先蒸鍍ITO，之后是傳輸層、發(fā)光層、電注入層等其他功能層，最后將OLED陰極搭在無(wú)源矩陣布線線網(wǎng)上即可。

圖2 AC顯示器件結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of AC display device

3 AC顯示驅(qū)動(dòng)的掃描方案

AC器件結(jié)構(gòu)在控制電路設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)顯示器相比，差異主要在于藍(lán)光LED反接，造成了電平反向。陣列結(jié)構(gòu)下藍(lán)光micro-LED的使能端與其他發(fā)光點(diǎn)的接地端復(fù)用，所以在同一行中，綠光OLED工作時(shí)與藍(lán)光LED沖突，控制電路無(wú)法連續(xù)依次掃描發(fā)光點(diǎn)，也無(wú)法設(shè)計(jì)多路同步控制電路，同時(shí)點(diǎn)亮一個(gè)全彩像素點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)AC顯示器件的顯示，本文結(jié)合高分辨率和高刷新速率的性能需求，提出一種AC顯示方案：首先點(diǎn)亮同一行上所有紅光與綠光OLED，隨后點(diǎn)亮該行所有藍(lán)光micro-LED，完成對(duì)一整行的掃描；隨后，以此方式依次掃描下一行，最終完成整幅圖像的掃描。

圖3為AC顯示方案的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口輸入，由解碼單元轉(zhuǎn)換為24位RGB格式數(shù)據(jù)流，緩存到顯存中（使用RAM緩存一幀圖像），掃描顯示功能部分逐行讀取顯存中的圖像數(shù)據(jù)，生成驅(qū)動(dòng)LED的脈沖寬度調(diào)制（PWM）波，按照對(duì)應(yīng)的時(shí)序和控制電路的行列選擇，點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)。

圖3 AC顯示方案的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall system structure of AC display scheme

結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，本文主要對(duì)驅(qū)動(dòng)掃描部分進(jìn)行了獨(dú)特性設(shè)計(jì)，圖像數(shù)據(jù)輸入、解碼以及顯存部分采用常規(guī)的技術(shù)手段，設(shè)計(jì)完成后的邏輯電路使用FPGA芯片進(jìn)行了可行性驗(yàn)證。

驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。因存在反向并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在點(diǎn)亮反向連接的藍(lán)色micro-LED時(shí)，PWM信號(hào)的變換同時(shí)會(huì)影響其他行紅綠OLED的亮滅狀態(tài)，所以對(duì)所有行的起始端口均添加一個(gè)三態(tài)門(mén)，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)其開(kāi)閉，保證僅在該行選定時(shí)才導(dǎo)通，其他行屬于截止?fàn)顟B(tài)，避免因反相輸入信號(hào)時(shí)，行與行之間存在電流反灌導(dǎo)致的短路現(xiàn)象。

圖4 掃描電路圖Fig.4 Scanning circuit diagram

所有列的末端有一路8 bit位寬的PWM發(fā)生器，將顯存的數(shù)據(jù)一次讀取一整行，隨后根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)內(nèi)部顏色數(shù)據(jù)的排列方式（R-G-B），將紅光（R）和綠光（G）部分的亮度值傳遞給對(duì)應(yīng)通路上的PWM發(fā)生器，掃描電路列信號(hào)置0，使一行中紅、綠像素完成亮度顯示。隨后，由數(shù)據(jù)選擇器將藍(lán)光（B）部分灰度值送入與綠光OLED共用的PWM發(fā)生器，掃描電路列信號(hào)置高電平點(diǎn)亮藍(lán)光micro-LED，同時(shí)控制選擇器，將PWM輸出信號(hào)取反后輸出，實(shí)現(xiàn)同一行中藍(lán)光micro-LED的亮度顯示。以此類推，對(duì)每一行進(jìn)行同樣操作，完成AC器件24位全彩驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

圖5為該電路某一行的控制時(shí)序圖（以R為127，G為100，B為155為例），a、b是圖4中控制器的時(shí)序圖，A、B、C、D是圖4對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)的時(shí)序圖?？刂破鬏敵鯽為高電平時(shí)，控制Mux2-1選擇器傳輸藍(lán)色通道數(shù)據(jù)；a為低電平時(shí)，傳輸綠色通道數(shù)據(jù)?？刂破鬏敵鼋Y(jié)點(diǎn)b的信號(hào)控制選擇器Mux2-2的輸出。節(jié)點(diǎn)b為高電平時(shí)，選擇器輸出反向后的藍(lán)色通道的PWM脈沖；節(jié)點(diǎn)b為低電平時(shí)，選擇器輸出綠色通道的PWM脈沖。C點(diǎn)是PWM調(diào)制后的紅色通道脈沖。D點(diǎn)的高低電平控制對(duì)應(yīng)LED的亮滅。為高電平時(shí)，B點(diǎn)是反向后的藍(lán)色通道PWM脈沖；低電平時(shí)，B點(diǎn)是綠色通道的PWM脈沖，C點(diǎn)是紅色通道的PWM脈沖。

圖5 時(shí)序圖Fig.5 Timing diagram

PWM發(fā)生器由一個(gè)計(jì)數(shù)器與一個(gè)8 bit比較器實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍為0～255，輸入比較器負(fù)端，由控制器將單通道的灰度值傳入比較器正端，當(dāng)灰度值大于計(jì)數(shù)時(shí)，比較器輸出高電平，小于時(shí)輸出低電平，以此實(shí)現(xiàn)PWM占空比的配置，完成LED亮度控制，最后讓每條通路上的比較器共用同一個(gè)計(jì)數(shù)器，減小電路面積的同時(shí)，使所有燈的顯示周期一致。

圖6 共用一個(gè)計(jì)數(shù)器的多個(gè)PWM發(fā)生器Fig.6 Multiple PWM generators sharing a counter

對(duì)于一整行圖像數(shù)據(jù)的讀取，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)串并轉(zhuǎn)換的寄存器堆。由于讀取一行像素的時(shí)間遠(yuǎn)少于對(duì)這一行掃描顯示的時(shí)間，所以在本行掃描顯示過(guò)程中，對(duì)下一行數(shù)據(jù)逐個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行讀取，讀滿一行后等待掃描下一行像素的控制信號(hào)到來(lái)，直接將緩存的數(shù)據(jù)并行傳遞給對(duì)應(yīng)位置的PWM發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)每一行之間的連續(xù)掃描。

由于藍(lán)光micro-LED的光強(qiáng)遠(yuǎn)大于紅綠OLED，本文采用二次掃描方案。因?yàn)榧t綠OLED先點(diǎn)亮，藍(lán)光micro-LED反向后再點(diǎn)亮，此方案不僅可以實(shí)現(xiàn)反向并聯(lián)的AC顯示期間的全彩點(diǎn)亮，同時(shí)便于調(diào)節(jié)各自掃描周期內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)，縮短藍(lán)光的掃描時(shí)長(zhǎng)，達(dá)到減弱藍(lán)光光強(qiáng)的目的。

本文提出的控制器部分使用計(jì)數(shù)器與狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)完成二次掃描方案的實(shí)現(xiàn)。以一個(gè)PWM周期為基礎(chǔ)時(shí)間單元，可以設(shè)置紅綠OLED掃描周期個(gè)數(shù)的寄存器，當(dāng)達(dá)到指定周期數(shù)時(shí)則切換至藍(lán)燈顯示；同樣可以設(shè)置藍(lán)色micro-LED掃描周期個(gè)數(shù)的寄存器，當(dāng)達(dá)到指定周期數(shù)時(shí)則控制器將產(chǎn)生掃描下一行的信號(hào)。在同一行紅、綠燈與藍(lán)燈切換時(shí)間定時(shí)器內(nèi)部調(diào)整時(shí)間參數(shù)，使不同發(fā)光點(diǎn)亮度一致，最終達(dá)到均衡不同色彩之間光強(qiáng)的目的。例如在某一行內(nèi)，先點(diǎn)亮紅綠OLED，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)0～7，再點(diǎn)亮藍(lán)光micro-LED，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)8～9，在下一次計(jì)數(shù)時(shí)跳轉(zhuǎn)到下一行，以此循環(huán)，這樣可以根據(jù)最后的實(shí)測(cè)亮度比對(duì)，靈活調(diào)節(jié)控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)值實(shí)現(xiàn)不同顏色之間亮度均值的調(diào)控。

4 驅(qū)動(dòng)電路仿真結(jié)果

如圖7所示，針對(duì)本次設(shè)計(jì)的16×8的行掃描信號(hào)波形圖，我們截取了前6行的掃描信號(hào)，共有高電平信號(hào)、低電平信號(hào)和高阻態(tài)3個(gè)狀態(tài)。當(dāng)某一行被選中時(shí)，列方向產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓，行方向除被選中行為低電平外，其余均為高阻態(tài)，可視為與電路斷開(kāi)連接，電流由列方向輸出流至行方向，點(diǎn)亮同向連接的紅綠OLED。隨后，行方向轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，電流由行方向輸出流至列方向，點(diǎn)亮反向連接的藍(lán)色micro-LED。在此之后，該行轉(zhuǎn)為高阻態(tài)，繼續(xù)下一行的掃描，依次直至整幅畫(huà)面的顯示。圖8為截取的前三行的反向并聯(lián)模塊藍(lán)光micro-LED和綠光OLED導(dǎo)通時(shí)的行信號(hào)變化圖，藍(lán)綠錯(cuò)開(kāi)，始終處于一個(gè)反向電平的狀態(tài)。

圖7 行掃描信號(hào)Fig.7 Line scan signal

圖8 時(shí)鐘和輸出信號(hào)的波形Fig.8 Waveforms of clock and output signal

為了滿足驅(qū)動(dòng)接口需求，行列方向的輸出端采用推挽電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。輸出為高電平時(shí)，可以輸出足夠的電流，有良好的帶負(fù)載能力；輸出為低電平時(shí)，等效于接地，有良好的灌電流能力，可滿足設(shè)計(jì)效果需求。

5 結(jié) 論

本文提出了一種由OLED和micro-LED反向并聯(lián)組成的AC顯示器件，該AC器件由有機(jī)發(fā)光二極管OLED、無(wú)機(jī)發(fā)光二極管micro-LED以及具備多組電極的基板構(gòu)成，創(chuàng)造性地將藍(lán)光micro-LED和綠光OLED反向并聯(lián)，再與紅光OLED組成RGB像素點(diǎn)，其中OLED方向同向，該器件兼具高發(fā)光效率、高像素密度和長(zhǎng)時(shí)間工作壽命等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，我們提出了一種針對(duì)此種新型顯示器件的驅(qū)動(dòng)方案，通過(guò)將同向的紅綠OLED像素點(diǎn)先點(diǎn)亮，輸入、輸出端反向后的藍(lán)光micro-LED像素點(diǎn)后點(diǎn)亮的單行雙向掃描的方案，實(shí)現(xiàn)了反向并聯(lián)結(jié)構(gòu)的AC器件的全彩顯示。通過(guò)仿真，實(shí)現(xiàn)了反向并聯(lián)器件的逐行掃描以及反向數(shù)據(jù)的分時(shí)傳輸，表明本顯示驅(qū)動(dòng)方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于AC器件的驅(qū)動(dòng)，對(duì)于后續(xù)疊成顯示器件、高密度、高PPI的實(shí)現(xiàn)均具有指導(dǎo)意義。