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液晶与显示｜Micro-LED显示及其驱动技术的研究进展

2022-11-7 21:05| 发布者：optkt| 查看：897| 评论：0|原作者: 中国光学

摘要：本文介绍了Micro-LED显示技术及其驱动技术的研究进展，包括无源驱动和有源驱动两种方式。Micro-LED具有亮度高、功耗低、寿命长、响应时间短和稳定性高等优点，可应用于各种显示器，具有较好的发展潜力。

微米发光二极管（Micro-LED）显示是一项新颖并有着广泛应用前景的技术，在显示技术中占有重要地位。Micro-LED拥有亮度高、功耗低、寿命长、响应时间短和稳定性高等优点。可以应用于虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）、手机等微小型显示器，也可应用于家用电视、会议墙等中大型显示器，在显示领域具有较好的发展潜力。其优异的性能可以满足高端显示的个性化需求，如：5G超高清显示、AR眼镜、医疗显示和车载显示等新应用。近年来，全球已有大量的研究机构、企业对Micro-LED显示技术进行深入研究，并采用不同的工艺技术，成功研发了各种高性能的Micro-LED显示器样机或产品。

近日，东莞理工学院郑华副教授课题组与华南理工大学宁洪龙研究员团队合作在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，中文核心期刊）2022年第11期发表了题为“Micro-LED显示及其驱动技术的研究进展”综述文章。

文章回顾了自2000年以来Micro-LED显示技术的发展历程和研究成果，分析了阵列制备和倒装芯片集成技术，重点研究了Micro-LED显示驱动技术。Micro-LED显示驱动技术分为无源驱动（Passive Matrix，PM）和有源驱动（Active Matrix，AM）方式，主要介绍了无源驱动的电路原理，有源驱动的互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）驱动技术、薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）驱动技术以及有源像素驱动电路。

1. Micro-LED显示技术

1.1 发展历程

2000年美国堪萨斯州立大学江红星等人，制备了基于Ⅲ族氮化物的Micro-LED，并在2001年报道了采用无源驱动的方式，成功制备了10×10的蓝光Micro-LED阵列，为Micro-LED显示的发展奠定了理论基础。从Micro-LED概念首次提出以来，到近几年来已经成为国际竞争关键科技焦点之一，目前，我国也在“十四五”规划中大力投入对Micro-LED技术的研究。

图1：Micro-LED发展历程

图源：液晶与显示，2022,37(11): 1395-1410. Fig.1

1.2 Micro-LED阵列的制程与集成技术

RGB三基色是基于不同材料制备而成，如InGaN/GaN基材料用于制备绿光/蓝光Micro-LED阵列，AlInGaP/GaAs基材料用于制备红光Micro-LED阵列。一般在蓝宝石、砷化镓和硅等衬底上生长外延层，制备Micro-LED阵列。以蓝宝石衬底上制备GaN Micro-LED阵列为例，首先，采用金属有机化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技术在蓝宝石衬底上生长外延层，包括n-GaN层、MQW层和p-GaN层；接着蚀刻p-GaN层和MQW层以隔离像素，形成台面结构；然后在p-GaN层上蒸镀电流扩展层；并在电流扩展层上沉积p电极层，在n-GaN层沉积n电极层，再沉积一层钝化层；最后一步是构建n型接触垫和p型接触垫。构建好的接触垫有利于后续芯片集成，将Micro-LED像素的n电极连接在一起，p电极连接到AM背板上驱动电路的各个输出端，具体的工艺流程如图2所示。

图2：Micro-LED阵列制作的工艺流程图

图源：SID Symposium Digest of Technical Papers，2018，49（S1）：272-275.

将Micro-LED从原始衬底上剥离下来后，需要通过转移技术，将Micro-LED阵列与驱动基板进行键合。常用的两种键合方式包括传统的引线键合和改进的倒装芯片键合，如图3所示。大像素显示和无源矩阵驱动电路通常使用引线键合方式，如图3（a）所示，Micro-LED器件的水平电极分别用金线连接到n、p触点垫上来实现接触。该方法易于实现，成本低，缺点是散热能力不好，受尺寸限制，不适合高分辨率显示。在有源驱动显示中Micro-LED阵列n电极共同连接到接地端，p电极独立与驱动电路相连，采用倒装芯片键合技术，每个Micro-LED像素与配套的CMOS驱动电路键合在一起，该CMOS控制单元能够存储数据并驱动每个单独的Micro-LED像素，如图3（b）所示。

图3：像素键合方式（a）引线键合；（b）倒装芯片键合。

图源：SID Symposium Digest of Technical Papers，2018，49（S1）：272-275.

2. Micro-LED驱动技术

Micro-LED显示技术有无源驱动（PM）和有源驱动（AM）两种驱动方式。驱动方式不同，Micro-LED像素单元驱动电路的结构也不同。由于无源驱动采用扫描的方式，每一个时刻内仅有一行像素在发光，占空比非常小，因此不适合大尺寸显示。而采用有源驱动方式时各像素独立可控，是如今研究的主要方向。

2.1 无源驱动技术

无源驱动方式把每一列像素的阳极（P-electrode）连接到列数据，每一行像素的阴极（N-electrode）连接到行扫描线。某特定的行和列有电流信号通过时，在行列交叉处的像素单元将会被点亮。逐行地对每个像素施加不同的电压，每个像素能够实现不同的亮度显示，以点阵的方式动态显示图像。采用Micro-LED无源驱动技术会导致电流密度过高，线间存在串扰，矩阵上不同布线长度的阻抗存在偏差等问题，Micro-LED显示器的分辨率、亮度、可靠性和画面质量均受到限制。Micro-LED无源驱动的等效电路图如图4所示。

图4：无源驱动等效电路图

图源：液晶与显示，2022,37(11): 1395-1410. Fig.6

2014年，刘召军等人制备了一个0.19英寸的1700 PPI蓝光无源矩阵Micro-LED显示器，显示区域的大小为3.8×2.9 mm²，由256×192像素组成。该显示器使用无源驱动技术，不需要制备CMOS/TFT驱动，但需要对GaN晶片刻蚀至蓝宝石衬底，让LED像素单元之间的n、p电极保持各自独立，形成单个Micro-LED像素，其制备过程如图5所示。

图5：无源矩阵制备流程图。（a）形成隔离沟；（b）像素的图案化和蒸镀p型欧姆接触点；（c）沉积条纹状n型电极；（d）涂布透明聚酰亚胺;（e）沉积条纹状P型电极

图源：2014 IEEE compound semiconductor integrated circuit symposium （CSICS）. La Jolla，CA，USA：IEEE，2014：1-4.

2.2 有源驱动技术

在有源驱动电路中，每一个Micro-LED像素都有各自独立的驱动电路，双晶体管单电容2T1C电路是最基本的有源矩阵驱动电路。单个2T1C像素电路使用2个TFT晶体管和1个电容，其中T₁为开关晶体管，用来控制像素电路的开启或关闭，T₂是驱动晶体管，与电压源V_DD相连，在一帧内为Micro-LED提供稳定的驱动电流，依靠存储电容C_s来储存Vdata数据信号。有源驱动方式克服了像素在扫描时存在的串扰问题，让像素单元有更长的点亮时间，使Micro-LED显示器拥有更高的显示亮度。图6（a）显示双晶体管单电容器（2T1C）有源矩阵像素电路，有源面板上驱动电路的配置为如图6（b）所示。

图6：（a）2T1C有源矩阵像素电路图；（b）2T1C驱动电路面板配置图。

图源：（a）SID Symposium Digest of Technical Papers，2011，42（1）：1215-1218.

（b）IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2009，15（4）：1298-1302.

（1）CMOS驱动

CMOS驱动的有源矩阵Micro-LED微显示器中每一个像素都对应一个CMOS驱动电路，能够存储数据并驱动对应的Micro-LED像素单元，CMOS驱动背板的结构包括像素驱动器、扫描驱动器、数据驱动器和混合电压调节器。将制备好的Micro-LED阵列倒装连接到CMOS驱动背板上如图7（a）所示。其中，像素驱动电路工作原理图，如图7（b）所示，由M₁、M₂、M₃三个晶体管和一个电容器C_s组成，当行扫描信号R_s变为0，行使能信号R_en变为1时，会使得M₁晶体管导通，列数据C_data写入存储电容器C_s，开始行扫描过程。然后，将通过C_s上的电压施加到M₂的栅极和源极上，从而可以控制µLED的电流。像素中的列数据C_data按照特定顺序存储在该行的C_s中后，R_s变为1，行扫描过程自动移动到下一行，当所有子像素存储数据C_data加载完成时，R_en全局使能信号开启，输出显示画面。

图7：CMOS驱动。（a）Micro-LED阵列和有源矩阵CMOS背板的倒装焊；（b）像素驱动电路原理图。

图源：Journal of the Society for Information Display，2021，29（1）：47-56.

法国Leti公司制备CMOS驱动电路晶片，并将CMOS驱动晶片和蓝光Micro-LED外延片上进行键合，然后通过芯片制备技术在外延片上制作蓝光Micro-LED阵列，再将蓝光Micro-LED进行色彩转换，获得RGB Micro-LED单元组，通过微管倒装键合方式将单元组和CMOS驱动电路单元进行集成，制造了一个由CMOS驱动电路和RGB Micro-LED组成的微型集成器件，并将整个器件转移到由行和列导电线路组成的接收衬板上，不再需要将单个像素依次转移到接收衬底上，提升了产品良率。这种方法结合了CMOS驱动和简单传输过程，制备出像素单元尺寸大小为3 µm /5 µm的Micro-LED显示器。制备过程如图8所示。

图8：CMOS驱动RGB Micro-LED显示

图源：SID Symposium Digest of Technical Papers，2019，50（1）：240-243.

（2）TFT驱动技术

TFT驱动Micro-LED显示阵列与传统TFT-OLED技术类似，采用键合技术将Micro-LED阵列转移到TFT驱动的背板上，在玻璃基板上生长TFT，以非晶硅（a-Si）TFT、低温多晶硅（LTPS）TFT以及氧化物TFT三类为主要代表，如图9所示。a-Si TFT载流子迁移率较低，不适合制备高分辨率显示器，难以实现高质量显示。目前由LTPS TFT驱动Micro-LED器件性能较好，是因为LTPS TFT具有载流子迁移率高、高度集成化、响应速度快和低功耗等优点，LTPS TFT可以跟驱动电路制程整合，二者具有很好的相容性，但与氧化物TFT相比，LTPS TFT成本很高。以铟镓锌氧化物（IGZO）TFT为主的氧化物TFT具有漏电流较低、响应速度快、制备成本较低等优点，有较大的产业前景，有源LTPS/a-IGZO TFT驱动Micro-LED阵列如图10所示。

图9：Micro-LED和TFT驱动背板集成

图源：SID Symposium Digest of Technical Papers，2018，49（1）：880-883.

图10：有源TFT驱动Micro-LED阵列示意图

（a）双栅a-IGZO TFT驱动Micro-LED显示截面图

（b）Micro-LED阵列和LTPS TFT驱动剖面结构图

图源：（a）SID Symposium Digest of Technical Papers，2020，51（1）：335-338.

（b）SID Symposium Digest of Technical Papers，2018，49（1）：880-883.

韩国庆熙大学Jin等人提出LTPO驱动技术由p型LTPS TFT和n型IGZO TFT组合在一个像素电路中，该像素驱动电路拥有较小的驱动电流和较低的漏电流，降低了生产成本，降低LTPS TFT自热效应的影响，获得高分辨率和刷新稳定性更好的显示设备，如图11所示。

图11：LTPO TFT驱动结构截面图和电路原理图

图源：Journal of the Society for Information Display，2020，28（6）：528-534.

3. 总结与展望

Micro-LED可以实现快速的响应频率、高度的阵列集成和高亮度的透明显示，在许多显示应用方面具有潜力。目前，Micro-LED显示器的市场仍处于初期阶段，还没有大范围扩展，这对于学界和业界来说既是机遇也是挑战。Micro-LED芯片尺寸小，会使得Micro-LED对驱动的薄膜层要求较为严苛，常用的有源驱动方式有CMOS驱动和TFT驱动。采用倒装键合技术将制备好的Micro-LED芯片阵列与CMOS/TFT驱动集成后，所制得的Micro-LED显示器可以获得高性能的图像质量。在将Micro-LED制作成显示器件时，需要考虑Micro-LED小尺寸带来的各种影响。同时，如何提高驱动器与Micro-LED阵列集成的效率和稳定性也是现阶段需要研究的一个方向。另外，Micro-LED产业链构成复杂，Micro-LED显示器在晶片制造、外延生长、巨量转移、全彩化、驱动电路和面板制造等步骤中都需要严格的规范，在多个技术领域还需要有进一步的突破。

论文信息

周律，郑华，张声浩，李华丹，张耿，张绍强，许伟，许恒荣，肖俊林，宁洪龙. Micro-LED显示及其驱动技术的研究进展[J]. 液晶与显示，2022，37（11）：1395-1410.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0157

通讯作者简介

郑华，东莞理工学院副教授，广东省高水平理工科大学建设学科骨干人才，东莞市特色人才，广东省印刷显示技术创新联盟东莞负责人，华南师范大学、广东工业大学校外硕士生导师，德国德累斯顿工业大学访问学者。从事平板显示领域研究10余年，主持和参与国家/省部级项目10余项，科研经费400余万。研制成功世界第一块全印刷工艺OLED显示屏，在Nature Communications等国际权威期刊发表学术论文20余篇，曾任深圳市华星光电技术有限公司研发中心主任，获得授权中国发明专利24项，美国发明专利21项，日本、韩国、俄罗斯发明专利1项。

E-mail: zhenghua@dgut.edu.cn

宁洪龙，博士，研究员，2004年博士毕业于清华大学，长期致力于有源信息新型显示薄膜晶体管阵列材料和结构研究。曾担任韩国三星显示公司首席科学家、韩国三星显示知识产权专利审查专家组委员、韩国三星6σ体系绿带认证导师；2013年回国加入华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，主要研究领域集中于新显示材料开发、TFT单元和阵列结构设计、柔性显示显示器件制备、印刷显示器件制备和信息显示器件性能优化；获得2017年广东省科技发明一等奖和2021年广东省科技进步二等奖。主持多项国家级与省部级项目，包括国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和广东省重大科研计划等。发表论文200余篇，申请专利200余项，其中授权专利100多项；担任ACS Appl. Mat. Interfaces、J. Mater. Chem. C、Ceram Int.、IEEE Electr Device L、IEEE T Electron Dev、Soc. Inf. Display、《发光学报》、《材料导报》等学术期刊审稿专家，《液晶与显示》、《数字印刷》编委。

E-mail：ninghl@scut.edu.cn