近几年,随着LED芯片工艺技术的日益进步,使得Micro-LED作为像素的LED微显示技术成为可能^{[1, 2, 3]}。2012年Day等^[4]成功制作了分辨率为640×480、像素直径为12 μm的InGaN/GaN量子阱结构LED微显示阵列,显现出LED微显示技术巨大的应用前景。随着移动互联网和智能设备的普及,人们对信息呈现方式的多样化需求也逐渐强烈。如何在小尺寸设备中实现更好的显示,成为众多应用领域亟待解决的问题。LED微显示技术正是这样一种合时宜的技术。相比目前市场上存在的其它几种微显示技术(如LCD技术、OLED技术、硅基液晶技术和DLP技术),LED微显示技术这种自发光微显示技术以其体积小、亮度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点^{[5, 6]}而极具市场潜力。

LED微显示的像素单元采用成熟的多量子阱LED芯片技术^[7],最大限度地体现LED器件作为显示器的优势。如图 1所示,以Choi等制作的InGaN基LED芯片为例^[8]:像素结构从下往上依次为蓝宝石衬底层,一层25 nm的GaN缓冲层,一层3 μm的N型GaN层(n=3×10¹⁸cm^-3),一层包含5个周期的多量子阱(MQW)有源层(其中蓝光芯片的MQW有源层包含5个周期的2.5 nm势阱层/7.5 nm GaN势垒层),一层0.25 μm的P型GaN接触层(n=3×10¹⁷cm^-3),电流扩展层和P型电极。像素单元一般通过四个步骤制作:第一步,通过ICP刻蚀工艺^[9],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,每一列像素的阴极通过N型GaN层共阴极连接,每一行像素的阳极根据驱动方式的不同选择不同的方式连接。

图 1

Fig. 1

图 1 像素结构 Fig. 1 Structure of a pixel

LED微显示阵列可以通过两种方式实现驱动,根据结构的不同,有被动矩阵驱动方式和主动矩阵驱动方式。

如图 2所示,被动矩阵驱动方式中,将像素的电极做成矩阵型结构,即水平一组像素的同一性质电极共用,垂直一组像素的相同性质的另一电极共用。两层电极之间通过沉积SiO₂层进行电学隔离。其中阳极之间通过喷溅工艺,形成Ti/Au金属连接,阴极之间通过共用N型GaN层形成连接。在实际电路驱动的过程中,采用逐行扫描的方式显示。此种方式制作成本及技术门槛较低,但受制于驱动方式,无法很好地实现高分辨率显示^{[8, 10]}。

图 2

Fig. 2

图 2 被动驱动方式 Fig. 2 Driving mode of passive matrix

如图 3所示,主动矩阵驱动方式中,所有像素阴极之间通过共用N型GaN层形成连接,每个像素的阳极与硅基CMOS驱动背板进行金属键合,整体采用背发光方式^{[11, 12, 13, 14, 15]}。这种驱动方式反应速度较快,不受扫描电极数的限制,每个像素单元可以单独实现寻址,独立控制,适合多数应用场合。

图 3

Fig. 3

图 3 主动驱动方式 Fig. 3 Driving mode of active matrix

如图 4所示,在Liu等的研究中,采用了Au-In-Au金属键合工艺,实现了LED阵列与硅基CMOS驱动背板的电学与物理连接^{[16, 17]}。制作过程中,首先在CMOS驱动背板中,通过喷溅工艺在接触电极区域沉积一层100 nm的Ni/Au层作为黏附层和In扩散阻挡层。然后通过热沉积和剥离工艺在Ni/Au层上沉积一层6 μm的In层。在回流炉中进行退火处理后,原先沉积的In层回流,形成一个球形的金属球。最后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。

图 4

Fig. 4

图 4 芯片的倒装键合 Fig. 4 Flip-chip bonding

随着研究的不断推进,LED微显示的显示性能不断提高。2004年Choi等^[8]采用被动方式驱动LED微显示阵列,成功制作了尺寸为3 mm×2 mm,分辨率为128×96,像素尺寸为22 μm的蓝色(468 nm)、绿色(508 nm)显示芯片,在总注入电流为60 mA时亮度可达30 000 cd/m²。

2007年Gong等^[18]采用被动方式驱动制作了分辨率为64×64,像素直径16 μm,像素间距34 μm的蓝色(470 nm)、绿色(510 nm)和紫外(370 nm)的LED微显示阵列。Griffin等^[17]采用硅基CMOS背板驱动的主动驱动方式,成功制作了分辨率为16×16、像素直径为72 μm、像素间距28 μm的蓝色和紫外LED微显示阵列。

2012年Day等^[4]采用硅基CMOS背板驱动的主动驱动方式,成功制作了芯片尺寸为3 mm×2 mm、分辨率为640×480、像素直径为12 μm、像素间距为6 μm的绿色和蓝色InGaN/GaN量子阱结构LED微显示阵列,单个像素在1 μm的电流驱动下,亮度可达4×10⁶cd/m²。单个像素的电流密度只有0.7A/cm²,是传统的300 μm×300 μm LED指示灯芯片(22A/cm²)的1/30,更低的工作电流保证了LED微显示芯片有着比传统LED芯片更加优秀的寿命表现。

2013年Chong等^[19]采用硅基CMOS背板驱动的主动驱动方式,制作了芯片尺寸为4.5 mm×4.5 mm,分辨率为60×60,像素尺寸为50 μm,像素间距20 μm的紫外(380 nm)、红色(630 nm)、绿色(535 nm)、蓝色(445 nm)四种波长的LED微显示阵列,并成功实现彩色投影显示,LED微显示的众多优势逐渐显现。

无论采取哪种驱动方式,其中共阴极连接的电极都会存在这样的问题:如图 5所示,随着像素距离阴极接触电极长度的增加,其导电通路的等效电阻增大,最终导致流过不同像素的电流分布不均。

图 5

Fig. 5

图 5 等效电阻结构 Fig. 5 The structure of equivalent resistance

Gong等、Liu等分析了问题产生原因^{[18, 20]},并给出改进的电极设计方案。如图 6所示,在Gong等的方案中,在传统的共阴极连接的基础上,在GaN层增加一条金属电流传导线,使得像素间等效电阻的差异小于8%。如图 7所示,Liu等采用了环绕电极和双电极的方法也极大提高了电流的分布均匀性。

图 6

Fig. 6

图 6 金属电流传导线 Fig. 6 Design of metal line

图 7

Fig. 7

图 7 环形电极和双电极 Fig. 7 Design of metal wrap-around and double-sided cathodes

电流注入有源层后,辐射复合释放出的光子会向各个方向随机出射。为了避免像素间的干扰,在传统的制作LED微显示芯片时,通过ICP刻蚀,将外延层刻蚀至衬底层来实现像素间的电学和光学隔离。包兴臻等^[21]提出利用高反射率的均匀掺单晶硅纳米颗粒的聚酰亚胺作为复合材料来填充隔离沟槽,将侧面出射的光反射到上表面,实现了相邻两个发光单元之间的光学和电学隔离,具有一定参考意义。

LED微显示中,虽然基于载流子的辐射复合的内量子效率很高,但光子从有源层产生,至出射到自由空间的取光效率一直是限制光利用效率提升的一个关键因素。Gong等在制作LED阵列时^[22],使用衬底减薄的方式,减弱衬底的吸收作用,部分的提高了外量子效率。梁静秋等在制作LED微显示阵列时运用分布式布拉格反射光栅的方式来提高单个像素的取光效率^[23]。

4.1 通过三种颜色LED阵列混合显示彩色

当外延片以蓝宝石为衬底,有源区为InGaN/GaN量子阱结构时,通过改变InGaN/GaN中InGaN的相对百分比,调整三元半导体InGaN中In摩尔组份,就可以得到1.95 eV到3.40 eV连续变化的直接带隙半导体,可以制备高效发光的蓝色、绿色、红色LED芯片^[24]。通过三种颜色芯片和合色棱镜的作用,即可显示彩色图像。Liu等采用这种方式成功制作出三色LED微阵列,实现了彩色投影显示^[25]。

传统LED照明中采用的蓝光或紫外光加荧光粉的方式,LED微显示中也可以用此种方式实现彩色显示。目前Zhang等已经实现了紫外LED阵列微显示的制作。如图 8所示,Xu等提出利用掩膜版和含有量子点荧光粉的溶液通过喷雾沉积的方式^[26],在特定区域沉积特定荧光粉的技术来实现LED微阵列的彩色化显示,具有很大的实践意义。

图 8

Fig. 8

图 8 喷雾沉积量子点 Fig. 8 Mist fabrication of quantum dot devices

类似于液晶显示的方式,通过蓝光混合黄光荧光粉产生白光。再通过滤色片取色,实现彩色化也是一种可行的方案。但白光通过滤色片提取单色光的效率很低,使用此方式无法实现高亮度显示。

在彩色化现实中,三色LED阵列制作工艺简单,能量利用效率更高,但由于需要合色棱镜,将不利于设备的小型化。三色荧光粉实现彩色化显示时,系统的光学设计更简单,但会在显示分辨率的提高上存在困难。根据应用场景的不同,合理的选择不同方式将会是实现彩色化显示的最佳方案。

目前市场上主要有四种微显示技术^[27]:LCD技术、OLED技术、硅基液晶技术(LCOS)^[28]和DLP技术。技术之间对比见表 1。其中LCD微显示器是目前发展较为成熟的微显示技术,但其需要背光源,且亮度较低,应用场景受到很大限制。OLED型微显示器是一种有机电致发光的全固体显示器件,虽然有许多优点,但由于核心部分为有机材料,目前仍存在着不易实现全彩显示、有机发光层制作困难以及有机物老化导致寿命较短等缺陷。LCOS微显示器虽具有高分辨率、高亮度、轻薄及寿命长等优点,但其显示光学系统过于复杂、制作困难及生产成本较高,使得LCOS应用研究逐渐陷入低谷。DLP技术由于其在微小尺寸显示上并不具有优势,因此市场前景有限。

表 1 Tab.1

表 1 各种微显示技术对比 Tab.1 Comparison of various micro display techniques 技术类型 LCD OLED LCOS DLP LED微显示 光源的实现 需要背光 自发射 需要背光 需要背光 自发射 光源利用率 中等 高 低 高 高 亮度 3 000 cd/m2(全彩) 104 cd/m2(绿色) 1 500 cd/m2(全彩) 103 cd/m2(黄色) 1 000 cd/m2 (全彩) 1 000 cd/m2 (全彩) 105 cd/m2 (全彩) 107 cd/m2(蓝/绿) 对比度 200∶1 Very High>104∶1 High High Very High>104∶1 响应时间 ms ms ms ms ns 操作温度 0~60 ℃ -50~70 ℃ 0~60 ℃ -10~70 ℃ -100~120 ℃ 寿命 中等 中等 中等 中等 长 成本 低 低 低 高 低

表 1 各种微显示技术对比 Tab.1 Comparison of various micro display techniques

LED微显示器相对比其他类型的微显示器有其独特的优点,以谷歌眼镜为代表的新一代智能设备正预示着微显示市场的美好未来。LED微显示技术由于先天的优势,将代表着微显示未来的方向,应引起企业和研究机构的重视。