Micro LED全彩顯示屏化與波長一致性問題如何解決，現(xiàn)在由led顯示屏廠家迷你光電為您解讀。
單色Micro LED陣列通過倒裝結構封裝和驅(qū)動IC貼合就可以實現(xiàn)，但是RGB的陣列需要分次轉(zhuǎn)貼紅、藍、綠三色的晶粒，需要嵌入幾十萬顆LED晶粒。這對于LED晶粒的光效、波長一致性、以及良率有著更高的要求。同時對于LED產(chǎn)生色差的支出也是阻礙技術的瓶頸。為此，世界上各大公司與研究機構提出了哪些解決方式？
Micro-LED彩色化實現(xiàn)的三種方法
南方科技大學Tenure-track助理教授、副教授、博士生導師劉召軍，彭燈、張珂以及臺灣交通大學郭浩中、佘慶威等人曾在《Micro-LED display彩色化的3大主要技術手段》一文中詳細介紹了Micro-LED彩色化的實現(xiàn)方法。
1、RGB三色LED法
RGB-LED全彩顯示的顯示原理主要是基于三原色（紅、綠、藍）調(diào)色基本原理。眾所周知，RGB三原色經(jīng)過一定的配比可以合成自然界中絕大部分色彩。同理，對紅色-、綠色-、藍色-LED，施以不同的電流即可控制其亮度值，從而實現(xiàn)三原色的組合，達到全彩色顯示的效果，這是目前LED大屏幕所普遍采用的方法[1]。
在RGB彩色化顯示方法中，每個像素都包含三個RGB三色LED。一般采用鍵合或者倒裝的方式將三色LED的P和N電極與電路基板連接，具體布局與連接方式如圖1所示[2]。
之后，使用專用LED全彩驅(qū)動芯片對每個LED進行脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流驅(qū)動，PWM電流驅(qū)動方式可以通過設置電流有效周期和占空比來實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光。
例如一個8位PWM全彩LED驅(qū)動芯片，可以實現(xiàn)單色LED的28=256種調(diào)光效果，那么對于一個含有三色LED的像素理論上可以實現(xiàn)256*256*256=16,777,216種調(diào)光效果，即16,777,216種顏色顯示。具體的全彩化顯示的驅(qū)動原理如圖2所示[2]。
但是事實上由于驅(qū)動芯片實際輸出電流會和理論電流有誤差，單個像素中的每個LED都有一定的半波寬(半峰寬越窄，LED的顯色性越好)和光衰現(xiàn)象，繼而產(chǎn)生LED像素全彩顯示的偏差問題。
圖1 RGB全彩色顯示的單像素布局示意圖
圖2 RGB全彩色顯示驅(qū)動原理示意圖
2、UV/藍光LED+發(fā)光介質(zhì)法
UV LED（紫外LED）或藍光LED+發(fā)光介質(zhì)的方法可以用來實現(xiàn)全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 則需激發(fā)紅綠藍三色發(fā)光介質(zhì)以實現(xiàn)RGB三色配比； 如使用藍光micro-LED則需要再搭配紅色和綠色發(fā)光介質(zhì)即可，以此類推。該項技術在2009年由香港科技大學劉紀美教授與劉召軍教授申請專利并已獲得授權（專利號：US 13/466,660, US 14/098,103）。
發(fā)光介質(zhì)一般可分為熒光粉與量子點（QD: Quantum Dots）。納米材料熒光粉可在藍光或紫外光LED的激發(fā)下發(fā)出特定波長的光，光色由熒光粉材料決定且簡單易用，這使得熒光粉涂覆方法廣泛應用于LED照明，并可作為一種傳統(tǒng)的micro-LED彩色化方法。
熒光粉涂覆一般在micro-LED與驅(qū)動電路集成之后，再通過旋涂或點膠的方法涂覆于樣品表面。圖3則是一種熒光粉涂覆方法的應用，其中（a）圖顯示一個像素單元中包含紅綠藍4個子像素，圖（b）則顯示了micro-LED點亮后的彩色效果[3]。
該方式直觀易懂卻存在不足之處，其一熒光粉涂層將會吸收部分能量，降低了轉(zhuǎn)化率；其二則是熒光粉顆粒的尺寸較大，約為1-10微米，隨著micro-LED 像素尺寸不斷減小，熒光粉涂覆變的愈加不均勻且影響顯示質(zhì)量。而這讓量子點技術有了大放異彩的機會。
（a） （b）
圖3 熒光粉彩色化micro-LED的像素設計及顯示效果
量子點，又可稱為納米晶，是一種由II－VI族或III－V族元素組成的納米顆粒。量子點的粒徑一般介于1～10nm之間，可適用于更小尺寸的micro-display。量子點也具有電致發(fā)光與光致放光的效果，受激后可以發(fā)射熒光，發(fā)光顏色由材料和尺寸決定，因此可通過調(diào)控量子點粒徑大小來改變其不同發(fā)光的波長。
當量子點粒徑越小，發(fā)光顏色越偏藍色；當量子點越大，發(fā)光顏色越偏紅色。量子點的化學成分多樣，發(fā)光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個可見區(qū)。而且具有高能力的吸光-發(fā)光效率、很窄的半高寬、寬吸收頻譜等特性，因此擁有很高的色彩純度與飽和度。且結構簡單，薄型化，可卷曲，非常適用于micro-display的應用[4]。
目前常采用旋轉(zhuǎn)涂布、霧狀噴涂技術來開發(fā)量子點技術，即使用噴霧器和氣流控制來噴涂出均勻且尺寸可控的量子點，裝置與原理示意圖如圖4所示[5]。將其涂覆在UV/藍光LED上，使其受激發(fā)出RGB三色光，再通過色彩配比實現(xiàn)全彩色化，如圖5所示[5]。
但是上述技術存在的主要問題為各顏色均勻性與各顏色之間的相互影響，所以解決紅綠藍三色分離與各色均勻性成為量子點發(fā)光二極管運用于微顯示器的重要難題之一。
此外，當前量子點技術還不夠成熟，還存在著材料穩(wěn)定性不好、對散熱要求高、且需要密封、壽命短等缺點。這極大了限制了其應用范圍，但隨著技術的進步和成熟，我們期待量子點將有機會扮演更重要的角色。
圖4 (a)高精度霧化噴涂系統(tǒng)(Aerosol jet technology)及其(b)原理圖。
圖5 利用高精度噴涂技術制作紅、綠、藍三原色陣列示意圖
3、光學透鏡合成法
透鏡光學合成法是指通過光學棱鏡（Trichroic Prism）將RGB三色micro-LED合成全彩色顯示。具體方法是是將三個紅、綠、藍三色的micro-LED陣列分別封裝在三塊封裝板上，并連接一塊控制板與一個三色棱鏡。
之后可通過驅(qū)動面板來傳輸圖片信號，調(diào)整三色micro-LED陣列的亮度以實現(xiàn)彩色化，并加上光學投影鏡頭實現(xiàn)微投影。整個系統(tǒng)的實物圖與原理圖如圖6所示，顯示效果如圖7所示[6]。
圖6 棱鏡光學合成法的a), b) 實物圖，c) 原理示意圖
圖7 棱鏡光學合成法的顯示效果
半極性氮化鎵材料，解決峰移問題
根據(jù)利亞德光電股份有限公司2018年半年度報告顯示，其Mini LED產(chǎn)品已經(jīng)完成研發(fā)，進入中試階段，并與初創(chuàng)公司Saphlux成立聯(lián)合實驗室，利用Saphlux的半極性氮化鎵材料來解決Mini/Micro LED晶圓的波長一致性和峰移問題。
傳統(tǒng)的氮化鎵基藍、綠光LED芯片在電流變化時會產(chǎn)生波峰（色彩）偏移。Micro/Mini LED的對比度高，并且在很多應用中需要頻繁轉(zhuǎn)換場景，導致其驅(qū)動電流會有較大幅度的變化，帶來峰移。
例如，便攜的VR、AR（如谷歌眼鏡）等設備在夜間環(huán)境下的平均亮度約為1 nit，而在日光環(huán)境則需要500至700 nit。從測試數(shù)據(jù)來看，隨著電流的變化，Mini/Micro LED綠光的峰移可超過20納米，帶來明顯色飄，嚴重影響了顯示效果。綠光峰移20nm的情況下對mini LED顯色情況如下圖所示：
綠光發(fā)生波峰偏移后的變化
峰移主要是由c面氮化鎵材料中固有的極化場導致的：它使得量子阱的能帶傾斜，因此隨著電流（電子、空穴）的增加，能帶會被拉平，導致能隙變寬，從而引起發(fā)光光子能量的增加及波峰的移動。
峰移問題在氮化鎵體系的藍、綠光LED中普遍存在，且在綠光（銦組分高導致能帶更加傾斜）以及小電流（初始能帶更傾斜）時更加明顯。
傳統(tǒng)GaN材料能帶
半極性氮化鎵是一種新型的、與c面氮化鎵有偏角的氮化鎵材料。通過晶體方向的改變，半極性材料能夠從根本上提高電子和空穴的結合率，極大地降低或去除極化效應，使得能帶較平，電子和空穴的復合率高。利用這種特性，半極性Micro/Mini LED能夠在電流變化時保持帶隙的寬度，極大地減小峰移，保持色彩穩(wěn)定。
半極性GaN材料能帶
此外，Micro/Mini LED芯片的小尺寸導致了波長分選困難和高成本，因此對整片晶圓的波長一致性有更高的要求。而半極性LED的外延結構比傳統(tǒng)材料簡單，更容易實現(xiàn)較好的晶圓波長一致性，大幅降低分選成本。
半極性氮化鎵材料有如此多優(yōu)勢，但之前一直未能取得大規(guī)模工業(yè)化應用。其本質(zhì)原因是業(yè)內(nèi)一直未能找到規(guī)模量產(chǎn)高質(zhì)量半極性氮化鎵材料的方法。
而經(jīng)過近十年的研發(fā)，來自耶魯大學的Saphlux公司使用獨有的面控外延方式，實現(xiàn)了一系列的技術突破。2016年5 月，在經(jīng)過歷時近兩年的研發(fā)和測試后，Saphlux無缺陷的半極性氮化鎵材料正式上線。“原來的半極性材料只能做到 1 厘米X 0.5 厘米大小，我們實現(xiàn)了 2 英寸片。”研發(fā)人員拿著實驗結果振奮地喊到，“新一代發(fā)光材料終于來了。”
在傳統(tǒng)制備方式下，半極性材料只能通過斜切體塊式氮化鎵來實現(xiàn)。這樣的制備方式無法實現(xiàn)材料量產(chǎn)，而且小片半極性氮化鎵材料價格非常昂貴（高達2000美元）。
而Saphlux的技術手段不僅可以在標準的大尺寸藍寶石襯底上直接生長半極性氮化鎵，還能直接控制晶體生長的方向和形狀，可大幅降低成本并提升產(chǎn)能。
同年6 月，Saphlux的研究成果正式對外公布，全球前五的 LED 公司有 3 家開始使用其產(chǎn)品。另外，蘋果 Micro-led顯示屏的供應商、大陸及臺灣一些廠商也陸續(xù)下單。產(chǎn)品一經(jīng)上線，廣受客戶認可。
而在業(yè)內(nèi)，Saphlux的創(chuàng)新成果獲得了一致肯定。世界半導體行業(yè)頂級期刊《復合半導體雜志》評價這一成果說：“第一代氮化鎵材料的‘摩爾定律’將由Saphlux的半極性氮化鎵延續(xù)。”臺灣交通大學光電系系主任郭浩中則認為：“Saphlux的半極性外延片能夠從根本上解決困擾Micro-LED的藍、綠光峰移問題，將是接下來Micro-LED的發(fā)展趨勢。”
2017年，Saphlux團隊落戶到位于西安的陜西光電子集成電路先導技術研究院。利用該孵化平臺的MOCVD、電子束蒸鍍機等專業(yè)化設備，Saphlux的研究成果很快從實驗室進入了量產(chǎn)階段。2017 年 11 月，西安Saphlux公司正式上線了 4 英寸(20-21)半極性氮化鎵材料，并從 2018年3月開始規(guī)模生產(chǎn)及銷售，良率達到95%以上，成為了全球首家可以量產(chǎn)工業(yè)級半極性氮化鎵材料的硬科技企業(yè)。
2018年7月，在實現(xiàn)了大尺寸、無層錯半極性氮化鎵材料量產(chǎn)的基礎上，Saphlux成功點亮了半極性綠光LED芯片，解決了下一代顯示屏幕MicroLED的色彩問題，再次得到了業(yè)界和媒體的廣泛關注。
2018年中旬，Saphlux又進一步開發(fā)了全彩轉(zhuǎn)換技術，獨家掌握了目前最優(yōu)的消費級Micro-LED制備方案，確立了團隊在未來顯示領域的核心優(yōu)勢。
與此同時，Saphlux還與A股上市公司利亞德簽訂了合作協(xié)議，雙方成立了“Saphlux-利亞德聯(lián)合實驗室”，開展基于半極性氮化鎵的mini LED、micro LED和激光顯示產(chǎn)品的研究及開發(fā)，并力圖通過合作項目的方式迅速推動研發(fā)成果產(chǎn)業(yè)化。
此外，Saphlux還和歐美、日本和臺灣等地的20余家著名廠商開展了合作和銷售，重點發(fā)力在Micro-LED、半導體激光器、大功率LED等領域。
按照團隊規(guī)劃，Saphlux會持續(xù)加大在這場顯示革命中的布局。團隊未來會提供三類產(chǎn)品：半極性氮化鎵晶元，半極性綠光外延片，以及基于半極性氮化鎵的全彩轉(zhuǎn)換Micro-LED解決方案。
信息來源 3qled 顯示之家
