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南京中电熊猫崔晓晨:基于Micro LED的显示技术的研究

编辑:zhangyf 2016-09-23 14:41 浏览 评论 评论 0 赞    来源:  betway必威体育

南京中电熊猫平板显示技术有限公司工程师崔晓晨

  在2016中国平板显示学术大会的新型显示及触控技术的分论坛上,南京中电熊猫平板显示技术有限公司工程师崔晓晨给我们分享了一些Micro LED的技术。以下为演讲文字实录:

  LCD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,Open cell穿透率约在7%,光电效率低,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。因此,另一种直接利用三原色LED做为自发光显示点画素的Micro LED Display的技术也正在发展中。

  随着LED的成熟与演进,Micro LED Display自2010年起开始呈现不一样的面貌。

  自2010年后各厂商积极于Micro LED Display的技术整合与开发,然因Micro LED Display尚未有标准的μLED结构、量产制程与驱动电路设计,各厂商其专利布局更是兵家必争之地。到2016年被Apple并购的LuxVue、Mikro Mesa、Sony、Leti等公司皆已具数量规模的专利申请案,更有为数众多的公司与研究机构投入相关的技术开发。

  Micro LED Display综合TFT-LCD和LED两大技术特点,在材料、制程、设备的发展较为成熟,产品规格远高于目前的TFT-LCD或OLED,应用领域更为广泛包含有柔性、透明显示器。

  Micro LED Display,是由微小LED组成的高分辨率显示面板,有别于目前市场将LED置于液晶显示器背光源的做法,Micro LED Display的显示原理是将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化,其尺寸仅在1-10微米等级左右;然后将Micro LED批量转移至电路基板上,其基板可为硬性、软性的透明、不透明TFT背板,TFT技术等级为IGZO、LTPS、Oxide;再利用物理沉积制程完成保护层与上电极,进行上基板的封装,完成Micro LED显示。Micro LED阵列的每一个像素可定址、单独驱动点亮,通过电极线的依序通电点亮Micro LED以显示影像。

  Micro LED典型结构是一PN结面二极管,由直接能隙半导体材料构成,采用成熟的多量子阱(MQWs)LED芯片技术,最大限度地体现LED器件作为显示器的优势。通过对Micro LED上下电极施加一正向偏压,致使电流通过时,电子、空穴在主动区复合,发射出单一色光。目前做LED是分为三种结构,有正装LED、倒装LED、垂直LED。

  高光提取效率的合适形状包括球形、半球形、去掉顶的椭圆形等,然而这些结构很难实现,并且成本很高。(PPT)

  Krames科研小组提出了去掉顶的倒金字塔结构LED,管芯的侧面为斜面,LED的这种几何外形可以使内部反射的光从侧壁的内表面再次传播到上表面,而以小于临界角的角度出射。同时传播到上表面大于临界角的光重新从侧面出射。这两种过程能同时减小光在内部传播的路程,外量子效率提高。

  下面讲一下Micro LED的转运技术:

  由于晶格匹配的原因,LED微器件必须先在蓝宝石、SiC、Si等衬底上通过分子束外延生长出来。而做成显示器,必须要把LED发光微器件转移到玻璃基板上,对于微器件的多次转运技术难度都特别高,而用在追求高精度显示的产品上难度就更大。通过此前苹果收购LuxVue后公布的获取专利名单也可以看出,大多都是采用电学方式完成转运过程,所以说纳米级LED的转运技术是LuxVue的关键核心技术。四个主要的转运设备、转移头、转运方式、稳定装置。转运方式目前采用热或者是压力的作用把Micro LED的生长转移到基板上,然后通过间隔层间隔到承载基板,这个间隔层可以通过温度的改变来改变。

  Micro LED转运方式目前主要分为三类:芯片级焊接、晶圆外延级焊接、薄膜转移。

  芯片级焊接:将LED切割成一颗颗微米等级的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板),利用表面贴装技术键接于驱动背板上。

  晶圆外延级焊接:在LED的磊晶薄膜层上刻蚀形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构,此结构的间距为显示像素所需的间距,再将LED晶圆(含磊晶薄膜和基板)直接键接于驱动背板上,最后使用物理或化学机制剥离基板,仅剩4——5μm的Micro LED磊晶薄膜结构于驱动背板上形成显示像素。

  薄膜转移:使用物理或化学机制剥离LED基板,以一暂时基板承载LED磊晶薄膜层,再刻蚀形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构,最后根据驱动背板所需显示像素点间距,利用具有选择性的转移治具,将Micro LED磊晶薄膜结构进行批量转移,键接于驱动背板上形成显示像素。

  下面是对三个转运方式的一个对比(PPT),第一个方式就是没有尺寸限制,但是批量转移的能力会比较小,成本也比较高,相对来说比较适合小尺寸,我们了解到Sony比较适合。薄膜转移技术相对外延转移是比较好的,也是没有尺寸限制,间距也是可以调的。下面的这个公司也是采用的这个公司。

  这些是我们了解到的开发的企业,从这个表格中我们可以看到,对Micro LED的显示技术主要还是欧美的比较多,从这些数据上也可以看到,大多数研究机构也是把它放在了小尺寸上面,只有日本的Sony做的尺寸大一些。

  早在2000年Cree就申请了名为“Micro-led array with enhanced light extraction”的专利,随后相关论文发表也很多。学界对Micro LED的投入一直持续,University of IIIinois的John A. Rogers就是这个领域的大师;LED厂、面板厂也秘密研发多年,但商业化的关键角色,还是非两位消费电子霸主“Sony”和“Apple”莫属。

  通过前面的对比,Sony 优先把显示屏幕尺寸做大,将目标设定在远距离观赏,由于需用的 LED 颗数多,导致制作费工费时,只能期望用低 PPI(LED 尺寸较大) 换取高良率。

  Apple优先把 LED 缩小,做高画质显示,但只做用于穿戴式设备的小尺寸显示器,避免因累计良率过低,价格无法达商业化水平,日前苹果的台湾龙潭厂已实验性点亮了 6 寸的 Micro LED 显示器。

  下面是Micro LED的全彩显示:一个是三色LED陈列混合,通过三种颜色芯片和合色棱镜的作用显示彩色图像。蓝光+三色荧光粉,采用蓝光或者紫外光加荧光粉的方式,在特定区域沉积特定的含有量子点的荧光粉,白光+滤光片,通过蓝光混合黄光荧光粉产生白光,再通过滤光片取色。

  LED的驱动方式:Micro LED阵列经由垂直交错的正、负条状电极连接每一颗Micro LED的正、负极。受驱动方式的限制,此方式无法较好的实现高分辨率显示。所有Micro LED负极通过共用层形成连接,正极与驱动背板进行金属键合,通过互补式金属氧化物半导体(CMOS)电路驱动。不受扫描电极数的限制,可以对各像素独立进行选择性调节。驱动电路藏于显示屏内,更易于实现集成度和小型化,适合多数应用场合。

  Micro LED存在的问题,主要的困难点有三点:以目前已成熟的LED灯条制程为例,在制作一LED灯条尚有坏点等失败问题发生,而一片显示器上要嵌入数百万颗微型LED,良率表现相对较差。倒装(Flip Chip)LED适合于Micro LED显示,因其体积小、易制作成微型化,不需金属导线、可缩减LED彼此间的间隙等,但倒装LED目前的良率还有一定问题。嵌入LED制程不易采用大批量的作业方式,尤其是RGB的3色LED较单色难度更高。单色Micro LED阵列通过倒装结构封装和驱动IC贴合就可以实现,但RGB阵列需要分次转贴红、绿、蓝三色晶粒,需要嵌入几十/百万颗LED晶粒,对于LED晶粒光效、波长的一致性、良率要求更高。

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