Micro LED显示技术研究进展

邰建鹏，郭伟玲

(北京工业大学 光电子技术教育部重点实验室，北京 100020)

引言

发光二极管(light emitting diode，LED)是一种半导体发光器件，如今的LED技术已经发展的很成熟。因此为发展Micro LED显示技术提供了良好的条件。近年来，被视为新一代显示面板技术的Micro LED技术，受到广泛关注。相比传统LCD、OLED，Micro LED有着更大的优势，它有着功耗低、响应快、寿命长、光效率高等特点。近些年关于Micro LED显示阵列的报道有很多[1-10]。Jin等[11]在2000年制造出了尺寸为12 μm，像素间距为50 μm的Micro LED阵列，与大尺寸LED相比其表现出了电流均匀性好、导通电阻小、内量子效率高等特点。2008年Poher等[12]采用被动驱动方式制作出了数量为64×64，尺寸为20 μm，间距为30 μm的蓝光、绿光和UV Micro LED阵列，并成功利用可编程芯片驱动显示出了图像。其中蓝光和UV Micro LED在30 mA下光输出功率分别为700 μW和300 μW。2013年Ploch等[13]使用MOCVD技术制作的高功率UV Micro LED阵列像素尺寸为10 μW，间距为43.3 μW在400 mA下光输出功率达到5.8 mW，并且表现出了相比于普通LED更低的热阻，达到36 K/W，提高了Micro LED的光电性能和热学性能。由于LED光电转换效率的提高，Micro LED可以轻松实现低能耗高亮度的要求，因此在移动显示领域有着广阔的发展空间；此外由于尺寸小，可以制备具有高PPI显示屏，在AR、VR领域发展潜力巨大。

Micro LED显示技术不同于LCD、OLED技术，它不需要依赖背光源，使用寿命更长、色彩饱和度高、亮度大。目前Micro LED显示技术从驱动上分为被动驱动和主动驱动[14]。由于被动驱动需要LED电学隔离，需要进行深刻蚀，而且金属连线复杂，因此主动驱动是如今研究的主流方向。本文主要介绍Micro LED显示的研究现状，其中包括Micro LED显示技术的原理和结构、驱动方式、Micro LED显示关键技术，最后介绍其最新的应用情况。

1 Micro LED显示原理

Micro LED显示技术一般指使用尺寸为1～60 μm的LED发光单元组成显示阵列的技术。作为固体自发光显示技术，它比LCD、OLED有着很多无法比拟的优点，包括无需背光，光电转换效率高，亮度大于105cd/m2,对比度大于104∶1，响应时间在ns级等。

从驱动方式上可以将Micro LED显示分为两大类：被动驱动和主动驱动。使用内部金属连线将同一行(列)的N极相连，将同一列(行)的P极相连，将行列电极引到四周，然后外加行列控制器进行行列动态扫描，这种驱动方式为被动驱动。若使用倒装方式将LED倒装到CMOS驱动基板上则为主动驱动。根据驱动方式不同，发光单元结构不同。

1)金属互联式。被动驱动的Micro LED显示像素单元的剖面图和整个显示芯片3D结构如图1所示。外部通过对N/P电极施加行列扫描信号来实现图像的显示。此结构的单个LED是互相隔离的，因此需要使用ICP刻蚀到衬底，由于刻蚀深度达到5～6 μm，后续进行金属连线时，金属线容易在深隔离槽处出现断裂。

图1 被动驱动阵列剖面图和3D结构图Fig.1 A cross-sectional structure & 3D view of passive drive

2)单片集成式与晶粒转移式。以主动方式驱动的Micro LED发光阵列采用单片集成或晶粒转移两种方式进行组装的。单片集成：LED外延片被制成LED阵列(N×N个LED)，然后将阵列整体倒装到驱动基板上，结构如图2(a)所示。这种结构一次可以转移多个LED发光单元，转移过程如图2(c)所示。但是它无法解决彩色化问题，从同一个基底有选择的生长出三种波长的发光材料目前是不现实的。

但晶粒转移技术为彩色化方案提供了可能。与单片集成不同，这种技术将LED刻蚀成单晶粒形状，结构如图2(b)所示，其中晶粒大小在1～60之间，结合巨量转移技术进行晶粒到驱动基底的大批量转移并键合。由于巨量转移技术尚不成熟，使得这种方式成本极高。图2(d)为单晶粒转移过程。

图2 单片集成式和晶粒转移式芯片剖面图和3D结构图、单片集成制造流程图和晶粒转移流程图[15]Fig.2 A cross-sectional structure & 3D view of Monolithic integration & Pick & place individual LEDs，monolithic manufacture and pick &place individual LEDs

2 Micro LED显示驱动

1)ASIC被动驱动。用这种驱动方式的Micro LED阵列采用被动(行列扫描方式)驱动点亮。结构简单，容易实现，图3是被动矩阵的驱动电路结构，其中列信号由数据信号充当，行信号由选择信号充当。当X行和Y列被选通时，点(X,Y)被点亮。以高频逐点扫描方式来显示图像。由于IC驱动能力的限制，当不同列需要点亮的像素数量不一样时，不同列之间的像素亮度就会产生差异。对于彩色化Micro LED阵列来说，驱动电路将更加复杂化[16]，以这种全彩阵列为例，由于一个像素中存在RGB三个LED，并且三个LED驱动电压存在差异，这将导致驱动电路更加复杂化，驱动难度也将加大。

由图1可以看出，被动驱动Micro LED阵列需要深隔离槽结构(ICP刻蚀到衬底)，来保证发光单元的独立。刻蚀深度为5～6 μm，电极经过隔离槽会出现断裂情况，降低器件可靠性；并且深隔离槽内的光刻胶不易被充分曝光，影响后续工艺；深隔离槽会加大发光单元间距，影响像素密度。

图3 被动驱动矩阵示意图Fig.3 Schematic diagram of passive drive matrix

2)CMOS主动驱动。CMOS驱动采用共N极倒装结构，发光芯片采用单片或者单晶粒形式，倒装到驱动基板后再应用倒装键合技术，将芯片倒装到硅基CMOS驱动基板上，这个过程涉及到抓取、摆放等复杂技术。这种结构可以将像素尺寸降到几十个微米，像素间隙很小，达到几个微米[17]。驱动方式为主动驱动。

主动驱动方式要明显优于被动驱动方式，如图4所示，香港科技大学刘召军团队提出的两个MOS管和一个电容结构，又称为2T1C(2 Transistors 1 Capacitor)结构。由于引入电容器，在下一帧信号刷新前，LED处于保持状态[18]。这是主动驱动的特点，这种驱动方式驱动能力强、高亮度和对比度、低功耗、可控制能力强、速度快，可以广泛的应用在高分辨率显示阵列中。

图4 主动驱动电路Fig.4 Active drive circuit

3)TFT驱动。以TFT方式驱动的Micro LED显示阵列与传统TFT-LCD显示技术相同,使用键合技术将Micro LED阵列转移到含有TFT驱动背板上，或者直接在Micro LED晶圆上生长TFT[19]。首尔庆熙大学Kim团队[9]使用低温多晶硅(LTPS) TFT技术制造了像素间距为10 μm，亮度达40 000 cd/m2，EL峰为455 nm，FWHM为15 nm的Micro LED阵列，如图5所示。

图5 TFT-Micro LED示意Fig.5 Diagram of TFT-Micro LED

3 Micro LED显示关键技术

1)转移技术。目前Micro LED量产的关键技术便是巨量转移技术，巨量转移指的是通过某种高精度设备将大量Micro LED晶粒转移到目标基板上或者电路上。如何控制成本和良率是商业化的关键。

(a)微印章转移技术(μTP)。2015年X-Celeprint公司报道了一种Elastomer stamp micro-transfer-printing 的技术(μTP)，如图6所示。首先将LED制备在插入有中间层(牺牲层)的衬底上，然后喷涂上有机封装涂层，除去牺牲层后使用弹性转移印章将器件转移到其他基板上。报道中转移的器件尺寸为40 μm×40 μm，厚度为1 μm，间距在20 μm左右。整个转移过程需要30 s，并且良率大于99.9%。2017年韩国机械与材料研究所(KIMM)提出了一种Overlay-Aligned Roll-Transfer Printing[22]技术，如图6(b)所示，压印平板换成了滚轮。实现了柔性显示Micro LED和Si-TFT电路的转移，对准误差为3 μm，良率为99.9%。

图6 微转印技术和滚筒转印技术Fig.6 Micro transfer printing and roll-transfer printing

这种方法可以实现高速率大批量转移，缺点是压印材料(PDMS)和施主衬底之间热膨胀系数差距大,边长为100 mm的PDMS在环境温度变化1 ℃时将和施主衬底出现30 μm的误差[23]。

(b)流体自对准技术。2017年eLux公司申请了此项技术专利[24]，衬底有井状接触位，Micro LED随悬浮液流动时便会被底部井捕获，最后进行退火处理Micro LED和衬底形成电气连接(图7)。

图7 流体自对准示意图Fig.7 Illustration of fluidic self-assembly

2)彩色化技术。彩色化是Micro LED显示商业化的关键技术，现在主要彩色化方式有如下几种：UV/蓝光LED+发光介质法、三色RGB法、透镜合成法。

(a)UV/蓝光LED+发光介质法。发光介质一般分为荧光粉和量子点，但由于荧光粉颗粒大，不适合应用到小尺寸Micro LED中，如今研究热点的是量子点技术。QLED 又称量子点显示技术。利用量子尺寸效应再施加为电场或者光压，量子点便会发出不同频率的光。在显示领域，量子点在蓝光/UV照射下进行光致发光，产生红光与绿光 ，并同部分透过的蓝光混合形成白光，进而在电源驱动下发光显示。

由于量子点发光二极管具有发光效率高、窄带宽、带隙易设计等特点，使它可以作为很好的发光源。与普通的InGaN蓝光激发荧光粉合成白光的LED不同，QLED可以提供多种色彩。因此小尺寸的QLED在Micro LED显示彩色化领域也是一种可行的方案。

Chen等[26]、Lin等[27]利用喷涂技术制造的QLED如图8所示。喷涂技术解决了LED芯片向基底大批量转移的难题,也解决了三原色RGB驱动复杂的问题，同时喷涂技术结合光刻胶模可以有效降低像素串扰问题[27]。

(b)透镜合成法。利用透镜将三色LED光线进行合成也是一种彩色化方案[28]，Liu团队制作的Micro LED投影原型机的工作原理为先将视频信号转化为RGB三色信号，然后分别将三色信号控制对应LED芯片。最后使用图9(a)光学结构将三色混合通过透镜投影出去。这是一种全新的投影技术，相比于LCOS、DLP、LCD显示，它结构简单，体积小，重量轻、光效率更高，可靠性更高。

(c)三色RGB法。2016年Peng等[16]采用CoB技术在透明石英基板上制作了5×5×3 RGB全彩LEDoTS Micro LED显示器，如图10(a)和(b)所示。整个面板尺寸为5 mm×5 mm。其中红色LED使用GaAs材料并且为垂直结构，蓝光和绿光LED使用GaN材料结构且为水平结构。通过CoB技术将LED芯片转移到透明衬底的阴极线上，然后通过飞线进行阳极的连接。由于驱动三色LED所需的电压各不相同，因此此种方法还未实现对面板灰度的控制。与

图9 光学透镜合成和全彩投影显示Fig.9 Optical structure and full color micro LED projection display

图10 RGB全彩LED显示器及Micro LED阵列Fig.10 RGB LED display and micro LED array

此类似的还有中科院Xue团队[29]制作的可变色Micro LED显示阵列。上述方法采用横向排列RGB LED实现彩色化。还有一种垂直堆叠方式，就是将RGB三个芯片做成 “三明治” 结构，三种芯片是透明的，并且可以独立寻址，通过控制控制PWM电压占空比来合成所需要的颜色。这种垂直结构相比于水平结构可以缩小2/3的占用面积，但对于寻址、金属化、布线、驱动电路等依然是设计难点。C-M KANG团队研制出了数量为8×8像素阵列，芯片尺寸为800 μm×800 μm。其通过调节控制绿光和蓝光的PWM电压不同占空比得到了一个像素从蓝到绿的色度图。堆叠结构降低芯片占用面积单也增加了工艺难度，如图10(c)所示。

4 商业化应用情况

较早成功使用Micro LED制成显示面板并成功驱动的是Texas Tech University 的Day等[17]在2011年完成的，发光单元尺寸为12 μm，间距15 μm，像素数量为640×480。2012年SONY公司在CES 2012上展示了由Micro LED制成的55寸 Crystal LED Display TV原型机。像素数量约为600万个。分辨率为1 920×1 080×RGB，亮度约为400 cd/m2，可视角为180°，在对比度，色域，视频响应速度都有不同程度提升，并在2016年推出巨型拼接显示荧幕“CLEDIS”(Crystal LED Integrated Structure)。2018年三星推出了146寸 “The Wall”，像素间距为0.8 mm，分辨率为960×540，亮度为500 nit。据报道，收购LuxVue的苹果公司也将推出基于Micro LED技术的Apple Watch和VR显示面板。

5 结束语

Micro LED芯片的工艺已经比较成熟，但是包括驱动电路设计、色彩转换方式、检测设备及方法、晶圆波长均匀度控制等都是尚待突破的技术瓶颈，其中巨量转移技术尤为困难，它直接影响了生产成本量产速度和良率等关键问题。因此基于Micro LED的Micro LED显示技术在未来一段时间还不能成为主流显示技术。但这并不影响显示行业向这个方向发展，如今Micro LED的过度技术Mini LED技术已经相当成熟，在高端显示和车载显示有着巨大应用潜力。我们相信在未来研究中可靠性、尺寸效应、巨量转移等技术会有突破，而Micro LED显示技术将会推动显示行业向前发展。