Micro LED全彩化與波長一致性問題，他們是如何解決的？

今年Micro LED技術(shù)堪稱絕對主角，業(yè)界口中言必稱Micro LED。然而，目前Micro LED依然存在許多的難題，不管是制程技術(shù)、檢驗標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)成本，都面臨著不小的挑戰(zhàn)。除了巨量轉(zhuǎn)移外，Micro LED還有一大難題就是全彩化，發(fā)光波長一致性的問題。

單色Micro LED陣列通過倒裝結(jié)構(gòu)封裝和驅(qū)動IC貼合就可以實(shí)現(xiàn)，但是RGB的陣列需要分次轉(zhuǎn)貼紅、藍(lán)、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(shù)的瓶頸。為此，世界上各大公司與研究機(jī)構(gòu)提出了哪些解決方式?

Micro-LED彩色化實(shí)現(xiàn)的三種方法

南方科技大學(xué)Tenure-track助理教授、副教授、博士生導(dǎo)師劉召軍，彭燈、張珂以及臺灣交通大學(xué)郭浩中、佘慶威等人曾在《Micro-LED display彩色化的3大主要技術(shù)手段》一文中詳細(xì)介紹了Micro-LED彩色化的實(shí)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(lán))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(lán)色-LED，施以不同的電流即可控制其亮度值，從而實(shí)現(xiàn)三原色的組合，達(dá)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(jìn)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(shè)置電流有效周期和占空比來實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)上由于驅(qū)動芯片實(shí)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(lán)光LED+發(fā)光介質(zhì)法

UV LED(紫外LED)或藍(lán)光LED+發(fā)光介質(zhì)的方法可以用來實(shí)現(xiàn)全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 則需激發(fā)紅綠藍(lán)三色發(fā)光介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)RGB三色配比; 如使用藍(lán)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(shù)在2009年由香港科技大學(xué)劉紀(jì)美教授與劉召軍教授申請專利并已獲得授權(quán)(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(diǎn)(QD: Quantum Dots)。納米材料熒光粉可在藍(lán)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(yīng)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(diǎn)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(yīng)用，其中(a)圖顯示一個像素單元中包含紅綠藍(lán)4個子像素，圖(b)則顯示了micro-LED點(diǎn)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(diǎn)技術(shù)有了大放異彩的機(jī)會。

(a) (b)

圖3 熒光粉彩色化micro-LED的像素設(shè)計及顯示效果

量子點(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)粒徑大小來改變其不同發(fā)光的波長。

當(dāng)量子點(diǎn)粒徑越小，發(fā)光顏色越偏藍(lán)色;當(dāng)量子點(diǎn)越大，發(fā)光顏色越偏紅色。量子點(diǎn)的化學(xué)成分多樣，發(fā)光顏色可以覆蓋從藍(lán)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(jié)構(gòu)簡單，薄型化，可卷曲，非常適用于micro-display的應(yīng)用[4]。

目前常采用旋轉(zhuǎn)涂布、霧狀噴涂技術(shù)來開發(fā)量子點(diǎn)技術(shù)，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(diǎn)，裝置與原理示意圖如圖4所示[5]。將其涂覆在UV/藍(lán)光LED上，使其受激發(fā)出RGB三色光，再通過色彩配比實(shí)現(xiàn)全彩色化，如圖5所示[5]。

但是上述技術(shù)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(lán)三色分離與各色均勻性成為量子點(diǎn)發(fā)光二極管運(yùn)用于微顯示器的重要難題之一。

此外，當(dāng)前量子點(diǎn)技術(shù)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(diǎn)。這極大了限制了其應(yīng)用范圍，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和成熟，我們期待量子點(diǎn)將有機(jī)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(shù)制作紅、綠、藍(lán)三原色陣列示意圖

3、光學(xué)透鏡合成法

透鏡光學(xué)合成法是指通過光學(xué)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(lán)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(shí)現(xiàn)彩色化，并加上光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)微投影。整個系統(tǒng)的實(shí)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(xué)合成法的a), b) 實(shí)物圖，c) 原理示意圖

圖7 棱鏡光學(xué)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(jìn)入中試階段，并與初創(chuàng)公司Saphlux成立聯(lián)合實(shí)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(lán)、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(yīng)用中需要頻繁轉(zhuǎn)換場景，導(dǎo)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(shè)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(yán)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(dǎo)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(dǎo)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(lán)、綠光LED中普遍存在，且在綠光(銦組分高導(dǎo)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(jié)合率，極大地降低或去除極化效應(yīng)，使得能帶較平，電子和空穴的復(fù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)材料簡單，更容易實(shí)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(yīng)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(xué)的Saphlux公司使用獨(dú)有的面控外延方式，實(shí)現(xiàn)了一系列的技術(shù)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(shí)現(xiàn)了 2 英寸片。”研發(fā)人員拿著實(shí)驗結(jié)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(shí)現(xiàn)。這樣的制備方式無法實(shí)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(dá)2000美元)。

而Saphlux的技術(shù)手段不僅可以在標(biāo)準(zhǔn)的大尺寸藍(lán)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(yīng)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(rèn)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(dǎo)體行業(yè)頂級期刊《復(fù)合半導(dǎo)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(xué)光電系系主任郭浩中則認(rèn)為：“Saphlux的半極性外延片能夠從根本上解決困擾Micro-LED的藍(lán)、綠光峰移問題，將是接下來Micro-LED的發(fā)展趨勢。”

2017年，Saphlux團(tuán)隊落戶到位于西安的陜西光電子集成電路先導(dǎo)技術(shù)研究院。利用該孵化平臺的MOCVD、電子束蒸鍍機(jī)等專業(yè)化設(shè)備，Saphlux的研究成果很快從實(shí)驗室進(jìn)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(dá)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(shí)現(xiàn)了大尺寸、無層錯半極性氮化鎵材料量產(chǎn)的基礎(chǔ)上，Saphlux成功點(diǎn)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(guān)注。

2018年中旬，Saphlux又進(jìn)一步開發(fā)了全彩轉(zhuǎn)換技術(shù)，獨(dú)家掌握了目前最優(yōu)的消費(fèi)級Micro-LED制備方案，確立了團(tuán)隊在未來顯示領(lǐng)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(shí)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(diǎn)發(fā)力在Micro-LED、半導(dǎo)體激光器、大功率LED等領(lǐng)域。