闲阁闲阁  2019-12-12 11:00 闲阁说物 隐藏边栏 |   抢沙发  8 
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关于MicroLED,LG在美国拉斯维加斯的"CES2019"上展示其全球第一款AMMicroLED。在此前的“CES2018"中,三星已经推出其MicroLED电视”THEWALL",如下图所示,这款产品的尺寸是146英寸。

在更早的“CES2017”上,索尼就推出了以144片MicroLED拼接而成的CLEDIS显示器。但无论是这里说到的三星还是索尼的产品,其采用的都是PM(PassiveMatrix)技术,其背板技术无论是在其本身工艺上还是在“巨量转移”上,难度较LG推出的AM(ActiveMatrix)技术小不少。

那么,MicroLED的产品是不是马上就会走进我们的生活中呢?这里让我们来谈一谈这个技术。

二. 什么是MicroLED

MicroLED技术,即LED微缩化和矩阵化技术。指的是在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列,如LED显示屏每一个像素可定址、单独驱动点亮,可看成是户外LED显示屏的微缩版,将像素点距离从毫米级降低至微米级。

而MicroLEDdisplay,则是底层用正常的CMOS集成电路制造工艺制成LED显示驱动电路,然后再用MOCVD机在集成电路上制作LED阵列,从而实现了微型显示屏,也就是所说的LED显示屏的缩小版。

MicroLED的像素单元在100微米(P0.1)以下,并被高密度地集成在一个芯片上。微缩化使得MicroLED具有更高的发光亮度、分辨率与色彩饱和度,以及更快的显示响应速度,预期能够应用于对亮度要求较高的增强现实(AR)微型投影装置、车用平视显示器(HUD)投影应用、超大型显示广告牌等特殊显示应用产品,并有望扩展到可穿戴/可植入器件、虚拟现实(VR)、光通讯/光互联、医疗探测、智能车灯、空间成像等多个领域。

顾名思义,MicroLED就是“微”LED,作为一种新显示技术,与其它显示技术,比如LCD,OLED,PDP,其核心的不同之处在于其采用无机LED作为发光像素。对于“Micro”这个概念,到底定义是多少呢?像素尺寸一般要到100μm以下。

LED并不是一个新事物,作为发光二极管,其在显示上的应用本应该是顺理成章的事情。但是很长一段时间,除了户外广告屏上的应用之外,LED显示应用一直不能发展起来,其原因是:

a.要做到手机屏/电视这种级别的显示器,LED像素在尺寸上难以做小;

b.LED外延晶片与显示驱动工艺不兼容,且需考虑大尺寸显示的问题,所以针对MicroLED需要开放合适的背板技术。

c.如何将“巨量”的三色微小LED转移到制作好驱动电路的基底上去,即“巨量转移”技术,也是决定MicroLED能否商业的关键。

由于像素单元低至微米量级,MicroLED显示产品具有多项性能指标优势。MicroLED功率消耗量仅为LCD的10%、OLED的50%,其亮度可达OLED的10倍,分辨率可达OLED的5倍。

在设备兼容性方面,MicroLED有望承接液晶显示高度成熟的电流驱动TFT技术,在未来显示技术演进进程中具有一定优势。根据LEDinside预估,2022年MicroLED显示的市场销售额将达到6.94亿美元,略高于MiniLED显示。MicroLED与LCD、OLED和量子点LED(QLED)显示的性能比较如下表所示:

1、MicroLED显示原理系将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化,其尺寸仅在1~10μm等级左右;后将μLED批量式转移至电路基板上(含下电极与晶体管),其基板可为硬性、软性之透明、不透明基板上;再利用物理沉积制程完成保护层与上电极,即可进行上基板的封装,完成一结构简单的MicroLED Display。

2、MicroLED典型结构PN接面二极管,由直接能隙半导体材料构成。当上下电极施加一顺向偏压于μLED,致使电流通过时,电子、电洞对于主动区(Activeregion)复合,而发射出单一色光。μLED发光频谱其主波长的半高全宽FWHM仅约20nm,可提供极高的色饱和度,通常可大于120%NTSC。且自2008年后LED光电转换效率大幅提高,100lm/W以上的LED已成量产之标准。而在MicroLED Display的应用上,为自发光的显示特性,辅以几乎无光耗元件的简易结构,故可轻易达到低能耗(10%~20%TFT-LCD能耗)或高亮度(1000nits以上)的显示器设计。

即可解决目前显示器应用的两大问题,一是穿戴型装置、手机、平板等设备,有8成以上的能耗在于显示器上,低能耗的显示器技术可提供更长的电池续航力;一是环境光较强(例:户外、半户外)致使显示器上的影像泛白、辨识度变差的问题,高亮度的显示技术可使其应用的范畴更加宽广。

3、Micro显示原理像素结构MicroLED显示一般采用成熟的多量子阱LED芯片技术。以典型的InGaN基LED芯片为例,MicroLED像素单元结构从下往上依次为蓝宝石衬底层、25nm的GaN缓冲层、3μm的N型GaN层、包含多周期量子阱(MQW)的有源层、0.25μm的P型GaN接触层、电流扩展层和P型电极。

像素单元加正向偏电压时,P型GaN接触层的空穴和N型GaN层的电子均向有源层迁移,在有源层电子和空穴发生电荷复合,复合后能量以发光形式释放。与传统LED显示屏相比,MicroLED具有两大特征,一是微缩化,其像素大小和像素间距从毫米级降低至微米级;二是矩阵化和集成化,其器件结构包括CMOS工艺制备的LED显示驱动电路和LED矩阵阵列。阵列驱动InGaN基MicroLED的像素单元一般通过以下四个步骤制备。第一步通过ICP刻蚀工艺,刻蚀沟槽至蓝宝石层,在外延片上隔离出分离的长条形GaN平台。

第二步在GaN平台上,通过ICP刻蚀,确立每个特定尺寸的像素单元。第三步通过剥离工艺,在P型GaN接触层上制作Ni/Au电流扩展层。第四步通过热沉积,在N型GaN层和P型GaN接触层上制作Ti/Au欧姆接触电极。

其中,每一列像素的阴极通过N型GaN层共阴极连接,每一行像素的阳极则有不同的驱动连接方式,其驱动方式主要包括被动选址驱动(PassiveMatrix,简称PM,又称无源寻址驱动)、主动选址驱动(ActiveMatrix,简称AM,又称有源寻址驱动)和半主动选址驱动三种方式。其中,被动选址驱动是把像素电极做成矩阵型结构,每一列(行)像素的阳(阴)极共用一个列(行)扫描线,两层电极之间通过沉积层进行电学隔离,以同时选通第X行和第Y列扫描线的方式来点亮位于第X行和第Y列的LED像素,高速逐点(或逐行)扫描各个像素来实现整个屏幕画面显示的模式。主动选址驱动模式下,每个MicroLED像素有其对应的独立驱动电路,驱动电流由驱动晶体管提供。

基本的主动矩阵驱动电路为双晶体管单电容电路。每个像素电路中,选通晶体管用来控制像素电路开关,驱动晶体管与电源连通为像素提供稳定电流,存储电容用来储存数据信号。为了提高灰阶等显示能力,可以采用四晶体管双电容电路等复杂的主动矩阵驱动电路。半主动选址驱动方式采用单晶体管作为MicroLED像素的驱动电路,从而可以较好地避免像素之间的串扰现象。半主动驱动由于每列驱动电流信号需要单独调制,性能介于主动驱动和被动驱动之间。4芯片制备与LED显示相同,MicroLED芯片一般采用刻蚀和外延生长(Epitaxy,又称磊晶)的方式制备。芯片制作流程主要包括以下几步:

衬底制备,用有机溶剂和酸液清洗蓝宝石衬底后,采用干法刻蚀制备出图形化蓝宝石衬底。

中间层制备,利用MOCVD进行气相外延,在高温条件下分别进行GaN缓冲层、N型GaN层、多层量子阱、P型GaN层生长制备。

台阶刻蚀,在外延片表面形成图形化光刻胶,之后利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺刻蚀到N型GaN层。

导电层制备,在样品表面溅射氧化铟锡(ITO)导电层,光刻形成图形化ITO导电层。五是绝缘层制备,利用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)沉积形成SiO2绝缘层,之后经光刻和湿法刻蚀。

电极制备,采用剥离法等方法制备出图形化光刻胶,电子束蒸发Au后利用高压剥离机对光刻胶进行剥离。

5、MicroLED背板从应用来看,大尺寸显示器显示屏因显示面积大以至于画素间距也较大,在背板的选用上会有PCB与Glass的选择。中型尺寸的车用显示器则不使用线宽线距较大的PCB,而以线宽线距极限略小于PCB的Glass以及FPC为主。

小尺寸的手机与手表以适合中小型显示需求的玻璃与FPC的背板为主。在微投影与显示的扩增实境/虚拟实境的背板显示需求将会微缩至30μm等级以下,因此将会以可微缩线宽线距半导体制程的SiCMOS背板为主,并背搭配眼镜需透光的需求也会有光学式FPC的应用需求。从基板材质看,MicroLED芯片和背板的键合的基材主要有PCB、玻璃和硅基。

根据线宽、线距极限的不同,可以搭配不同的背板基材。其中,PCB基板的应用最为成熟。另外CMOS工艺,其采用键合金属实现LED阵列与硅基CMOS驱动背板的电学与物理连接。制作过程中,首先在CMOS驱动背板中通过喷溅工艺热沉积和剥离工艺等形成功能层,再通过倒装焊设备即可实现LED微显示阵列与驱动背板的对接。

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闲阁
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