寿命长、稳定性高的μLED技术简介

2013-10-09 09:02:47来源: 互联网

宽能隙(Wide Bandgap)半导体氮化镓(GaN)及其相关化合物半导体材料,被广泛开发用于照明及各种光电元件上。氮化镓发光二极体(GaN LED)发光波长涵盖绿光至深紫外光波段,在可预见的未来,将完全取代传统白炽灯泡及萤光灯做为照明光源。

  另一种潜在的光电元件是微光电阵列元件(Micro Optoelectronic Device),该元件集合成千上万如发光体(Emitter)、侦测器(Detector)、光学开关(Optical Switch)或光波导(Optical Waveguide)等微型元件于单一晶片上。工研院预期微光电阵列元件未来将在显示、生医感测(Biosensor)、光通讯或光纤通讯、光互连 (Interconnect)及讯号处理(Signal Process)领域上扮演重要角色。

  微发光二极体阵列(Micro LED Array)透过定址化驱动技术做为显示器,除具有LED的高效率、高亮度、高可靠度及反应时间快等特点,其自发光显示--无需背光源的特性,更具节能、机构简易、体积小、薄型等优势。Micro LED比起同样是自发光的有机发光二极体(OLED)显示器,有较佳的材料稳定性寿命长、无影像烙印等问题,其独特的高亮度特性在投影式显示应用,如微投影(Pico Projection)、头戴式光学透视显示器(See-through HMD)、抬头显示器(Head-up Display, HUD)等,更具竞争力。此外,奈秒(Nano Second)等级的高速响应特性使得LED显示器除适合做叁维(3D)显示外,更能高速调变、承载讯号,做为智慧显示器的可视光无线通讯功能。

  Micro LED技术塬理

  Micro LED微显示器的晶片表面必须製作成如同LED显示器般之阵列结构,且每一个点画素(Pixel)必须可定址控制、单独驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体(CMOS)电路驱动则为主动定址驱动架构,Micro LED阵列晶片与CMOS间可透过封装技术,如覆晶封装方式(Flip Chip Bonding)形成电性连结。黏贴完成后Micro LED能藉由整合微透镜阵列(Microlens Array),提高亮度及对比度。图1是被动定址Micro LED微显示晶片,Micro LED阵列经由垂直交错的正、负状电极(P-metal Line & N-metal Line)连结每一颗Micro LED的正、负极,透过电极线的依序通电,透过扫描方式点亮Micro LED以显示影像。主动驱动显示器比被动矩阵驱动方式更节能、更快反应速度,向来是高解析显示器主流驱动方式。

  

  图1 Micro LED被动定址阵列架构示意图及晶片照片

  Micro LED技术挑战亟待突破

  Micro LED(《50微米(μm))存在有别于一般尺寸(》100微米)LED的特性。例如一般尺寸LED几乎没有电流拥挤(Current Crowding)、热堆积等问题,且因晶格应力释放及较大出光表面而可能有较佳的效率等优势。相对的,较大表面积的Micro LED可能因表面缺陷多而有较大的漏电路径,微小电极提高串联电阻值,都会影响发光效率。因此,微型LED阵列化製程开发及微型LED的结构设计须克服上述问题。此外,Micro LED的均匀度关係到成像品质及产品良率,为技术开发挑战之一。

  事实上,目前的Micro LED微显示器均为单光色,塬因在于单一基板上很难同时有磊晶成长不同波长,并且保持高品质的LED。因此,据文献资料显示,美商3M可能以波长转换的方式将蓝光(或UV)光透过量子井光激发层转成红、(蓝)、绿光,构成叁塬色光模式(RGB)画素。而索尼(Sony)、OKI等厂商则倾向採用以分次转贴红、蓝、绿光Micro LED磊晶薄膜的技术(Epi-film Transfer),构成彩色Micro LED阵列。在Micro LED画素大小约10微米尺度下,RGB阵列技术是全球各团队亟待突破的技术瓶颈。

  各国技术研发迭有进展

  德州科技大学(Texas Tech University)的江教授团队在2011年底发表了至目前为止,全球密集度最高(1,693dpi)的绿光主动定址Micro LED阵列晶片(图2),达视讯图形阵列(VGA)(640×480)解析度。此种微显示器结合Micro LED阵列和CMOS的驱动积体电路(IC),每个Micro LED单体下都有一驱动电晶体电路,可个别控制发光。

  

  图2 德州科大所开发的主动定址微晶粒发光二极体阵列微显示器

  美国Ostendo Technology公司透过优化半导体製程中的微影及蚀刻技术(图3),在4吋LED晶圆上实现均匀度98%,密集度高达2,450dpi的Micro LED阵列。此技术的开发有助于高解析的LED微显示器实用化。Ostendo也将运用此技术製作雷射二极体(LD)阵列,做为投影显示源,此举将比 LED微显示器在投影应用上,具有更佳的光学效率。

  

  图3 Ostendo Technology公司开发Micro LED阵列点距10μm的製程技术

  英国Strathclyde大学的Dawson教授在Micro LED的研究上投入颇多,图4为其製作的64×64微显示器。他们并将微透镜(Microlens)积体电路整合到Micro LED阵列上,用来提高显示器亮度。2010年中研究团队更衍生成立mLED公司,提供Micro LED技术平台,配合客户开发生医、微显示、列印、半导体製程光源等相关应用模组或产品。

  

  图4 mLED开发的64×64 Micro LED阵列

  图5为工研院电光所製作之240×160 Micro LED元件。元件尺寸为7.4毫米(mm)×4.9毫米,Micro LED画素间距为30微米(846dpi)。工研院电光所目前已製作出红、蓝、绿光的Micro LED阵列,并朝整合红、蓝、绿叁光色Micro LED在单一晶片中开发,以实现单晶片Micro LED全彩显示晶片。

  

  图5 工研院电光所製作的240×160蓝光LED微晶粒阵列元件影像

Micro LED应用范畴扩大

  Micro LED微显示器的潜在应用包含微投影机(Pico Projector)、头戴式显示器及抬头显示器等。

  目前微投影技术以数位光线处理(Digital Light Processing, DLP)、反射式硅基板液晶显示(Liquid Crystal on Silicon, LCoS)、微机电系统扫描(MEMS Scanning)叁种技术为主,但这叁种技术都须使用外加光源,使得模组体积不易进一步缩小,成本也较高。相较之下,採用自发光的Micro LED微显示器,不须外加光源,光学系统较简单,因此在模组体积的微型化及成本降低上具优势(图6)。国际上开发此种投影架构技术的组织或团队包括 OKI、香港科技大学、Ostendo等公司。OKI已有单光色高画质(HQ)VGA Micro LED雏型展示,香港科大则在红、蓝、绿光Micro LED整合到主动驱动电路基板上已有初步成果。

  

  图6 Micro LED微投影技术与LCoS、DLP和Laser Scanning传统微投影技术架构示意

  Micro LED微投影技术的目标市场在消费性行动电子,特别是技术门槛较高的手机微投影应用。投影模组要内建于手机中,模组体积厚度须小于6毫米、体积大小1立方公分左右,而能被消费者接受的关键之一就是其功耗须在合理的1瓦(W)内,且投影亮度至少须达100流明(lm),此亮度可在大部分微投影使用场域的环境亮度下(150Lux)、A4大小的投影像维持10以上的对比度,而不被环境光刷白(Washout)。消费性行动电子产品在2012年有二十亿件以上的市场,若投影应用有5%的渗透率,则将有一亿件以上的市场机会。

  

  无所不在的显示(Display Everywhere),是不远的未来日常生活情境,Micro LED投影式显示技术,凭藉节能及高亮度特点将扮演关键角色。 图片来源:Google

  在头戴式光学透视显示器的应用上,1980年代中期开始有穿透式液晶面板的使用,装置重量得以减轻,效果虽不尽如人意,但改良后的产品已经可以被应用在军事、模拟训练等用途。其后又陆续出现使用LCoS和OLED微显示器且更轻巧的头戴式显示器。将Micro LED投影模组应用于头戴式显示器上,可带来高色彩饱和度、高对比、轻量、微型、低耗电等优点。

  头戴式光学透视显示器因Google推出Projection Glass或称Google Glass,结合扩增实境(Augmented Reality, AR)功能,预期将会有明显的成长。据Markets and Markets的研究报告指出,2012?2017年头戴式光学透视显示器全球市场规模将以年复合成长率(CAGR)60%的速度达到44.78亿美元的规模。Google Glass的See-through HMD应用,以低功耗、微型、轻量、解析度的规格来看,自发光的OLED及Micro LED有机会在体积及功耗上胜出,Micro LED在解析度上短期内不及OLED,但可凭藉功耗及可靠度的优势,区隔市场,取得一席之地。

关键字:寿命长  稳定性  μLED技术

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1009/article_19879.html
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