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Micro LED全彩化与波长一致性问题,他们是如何解决的?

时间:2018-10-18 来源: 关键字:功率   LED   

今年Micro LED技术堪称绝对主角,业界口中言必称Micro LED。然而,目前Micro LED依然存在许多的难题,不管是制程技术、检验标准、生产成本,都面临着不小的挑战。除了巨量转移外,Micro LED还有一大难题就是全彩化,发光波长一致性的问题。

本文引用地址: http://power.21ic.com//led/technical/201810/76912.html

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,但是RGB的阵列需要分次转贴红、蓝、绿三色的晶粒,需要嵌入几十万颗LED晶粒。这对于LED晶粒的光效、波长一致性、以及良率有着更高的要求。同时对于LED产生色差的支出也是阻碍技术的瓶颈。为此,世界上各大公司与研究机构提出了哪些解决方式?

Micro-LED彩色化实现的三种方法

南方科技大学Tenure-track助理教授、副教授、博士生导师刘召军,彭灯、张珂以及台湾交通大学郭浩中、佘庆威等人曾在《Micro-LED display彩色化的3大主要技术手段》一文中详细介绍了Micro-LED彩色化的实现方法。

1、RGB三色LED法

 

 

RGB-LED全彩显示的显示原理主要是基于三原色(红、绿、蓝)调色基本原理。众所周知,RGB三原色经过一定的配比可以合成自然界中绝大部分色彩。同理,对红色-、绿色-、蓝色-LED,施以不同的电流即可控制其亮度值,从而实现三原色的组合,达到全彩色显示的效果,这是目前LED大屏幕所普遍采用的方法[1]。

在RGB彩色化显示方法中,每个像素都包含三个RGB三色LED。一般采用键合或者倒装的方式将三色LED的P和N电极与电路基板连接,具体布局与连接方式如图1所示[2]。

之后,使用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制(PWM)电流驱动,PWM电流驱动方式可以通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。

 

 

例如一个8位PWM全彩LED驱动芯片,可以实现单色LED的28=256种调光效果,那么对于一个含有三色LED的像素理论上可以实现256*256*256=16,777,216种调光效果,即16,777,216种颜色显示。具体的全彩化显示的驱动原理如图2所示[2]。

但是事实上由于驱动芯片实际输出电流会和理论电流有误差,单个像素中的每个LED都有一定的半波宽(半峰宽越窄,LED的显色性越好)和光衰现象,继而产生LED像素全彩显示的偏差问题。

 

 

图1 RGB全彩色显示的单像素布局示意图

 

 

图2 RGB全彩色显示驱动原理示意图

2、UV/蓝光LED+发光介质法

UV LED(紫外LED)或蓝光LED+发光介质的方法可以用来实现全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 则需激发红绿蓝三色发光介质以实现RGB三色配比; 如使用蓝光micro-LED则需要再搭配红色和绿色发光介质即可,以此类推。该项技术在2009年由香港科技大学刘纪美教授与刘召军教授申请专利并已获得授权(专利号:US 13/466,660, US 14/098,103)。

发光介质一般可分为荧光粉与量子点(QD: Quantum Dots)。纳米材料荧光粉可在蓝光或紫外光LED的激发下发出特定波长的光,光色由荧光粉材料决定且简单易用,这使得荧光粉涂覆方法广泛应用于LED照明,并可作为一种传统的micro-LED彩色化方法。

 

 

荧光粉涂覆一般在micro-LED与驱动电路集成之后,再通过旋涂或点胶的方法涂覆于样品表面。图3则是一种荧光粉涂覆方法的应用,其中(a)图显示一个像素单元中包含红绿蓝4个子像素,图(b)则显示了micro-LED点亮后的彩色效果[3]。

该方式直观易懂却存在不足之处,其一荧光粉涂层将会吸收部分能量,降低了转化率;其二则是荧光粉颗粒的尺寸较大,约为1-10微米,随着micro-LED 像素尺寸不断减小,荧光粉涂覆变的愈加不均匀且影响显示质量。而这让量子点技术有了大放异彩的机会。

 

 

(a) (b)

图3 荧光粉彩色化micro-LED的像素设计及显示效果

量子点,又可称为纳米晶,是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1~10nm之间,可适用于更小尺寸的micro-display。量子点也具有电致发光与光致放光的效果,受激后可以发射荧光,发光颜色由材料和尺寸决定,因此可通过调控量子点粒径大小来改变其不同发光的波长。

当量子点粒径越小,发光颜色越偏蓝色;当量子点越大,发光颜色越偏红色。量子点的化学成分多样,发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区。而且具有高能力的吸光-发光效率、很窄的半高宽、宽吸收频谱等特性,因此拥有很高的色彩纯度与饱和度。且结构简单,薄型化,可卷曲,非常适用于micro-display的应用[4]。

 

 

目前常采用旋转涂布、雾状喷涂技术来开发量子点技术,即使用喷雾器和气流控制来喷涂出均匀且尺寸可控的量子点,装置与原理示意图如图4所示[5]。将其涂覆在UV/蓝光LED上,使其受激发出RGB三色光,再通过色彩配比实现全彩色化,如图5所示[5]。

但是上述技术存在的主要问题为各颜色均匀性与各颜色之间的相互影响,所以解决红绿蓝三色分离与各色均匀性成为量子点发光二极管运用于微显示器的重要难题之一。

此外,当前量子点技术还不够成熟,还存在着材料稳定性不好、对散热要求高、且需要密封、寿命短等缺点。这极大了限制了其应用范围,但随着技术的进步和成熟,我们期待量子点将有机会扮演更重要的角色。

图4 (a)高精度雾化喷涂系统(Aerosol jet technology)及其(b)原理图。

图5 利用高精度喷涂技术制作红、绿、蓝三原色阵列示意图

3、光学透镜合成法

透镜光学合成法是指通过光学棱镜(Trichroic Prism)将RGB三色micro-LED合成全彩色显示。具体方法是是将三个红、绿、蓝三色的micro-LED阵列分别封装在三块封装板上,并连接一块控制板与一个三色棱镜。

之后可通过驱动面板来传输图片信号,调整三色micro-LED阵列的亮度以实现彩色化,并加上光学投影镜头实现微投影。整个系统的实物图与原理图如图6所示,显示效果如图7所示[6]。

 

 

图6 棱镜光学合成法的a), b) 实物图,c) 原理示意图

图7 棱镜光学合成法的显示效果

半极性氮化镓材料,解决峰移问题

根据利亚德光电股份有限公司2018年半年度报告显示,其Mini LED产品已经完成研发,进入中试阶段,并与初创公司Saphlux成立联合实验室,利用Saphlux的半极性氮化镓材料来解决Mini/Micro LED晶圆的波长一致性和峰移问题。

传统的氮化镓基蓝、绿光LED芯片在电流变化时会产生波峰(色彩)偏移。Micro/Mini LED的对比度高,并且在很多应用中需要频繁转换场景,导致其驱动电流会有较大幅度的变化,带来峰移。

例如,便携的VR、AR(如谷歌眼镜)等设备在夜间环境下的平均亮度约为1 nit,而在日光环境则需要500至700 nit。从测试数据来看,随着电流的变化,Mini/Micro LED绿光的峰移可超过20纳米,带来明显色飘,严重影响了显示效果。绿光峰移20nm的情况下对mini LED显色情况如下图所示:

绿光发生波峰偏移后的变化

峰移主要是由c面氮化镓材料中固有的极化场导致的:它使得量子阱的能带倾斜,因此随着电流(电子、空穴)的增加,能带会被拉平,导致能隙变宽,从而引起发光光子能量的增加及波峰的移动。

峰移问题在氮化镓体系的蓝、绿光LED中普遍存在,且在绿光(铟组分高导致能带更加倾斜)以及小电流(初始能带更倾斜)时更加明显。

传统GaN材料能带

半极性氮化镓是一种新型的、与c面氮化镓有偏角的氮化镓材料。通过晶体方向的改变,半极性材料能够从根本上提高电子和空穴的结合率,极大地降低或去除极化效应,使得能带较平,电子和空穴的复合率高。利用这种特性,半极性Micro/Mini LED能够在电流变化时保持带隙的宽度,极大地减小峰移,保持色彩稳定。

半极性GaN材料能带

此外,Micro/Mini LED芯片的小尺寸导致了波长分选困难和高成本,因此对整片晶圆的波长一致性有更高的要求。而半极性LED的外延结构比传统材料简单,更容易实现较好的晶圆波长一致性,大幅降低分选成本。

半极性氮化镓材料有如此多优势,但之前一直未能取得大规模工业化应用。其本质原因是业内一直未能找到规模量产高质量半极性氮化镓材料的方法。

而经过近十年的研发,来自耶鲁大学的Saphlux公司使用独有的面控外延方式,实现了一系列的技术突破。2016年5 月,在经过历时近两年的研发和测试后,Saphlux无缺陷的半极性氮化镓材料正式上线。“原来的半极性材料只能做到 1 厘米X 0.5 厘米大小,我们实现了 2 英寸片。”研发人员拿着实验结果振奋地喊到,“新一代发光材料终于来了。”

在传统制备方式下,半极性材料只能通过斜切体块式氮化镓来实现。这样的制备方式无法实现材料量产,而且小片半极性氮化镓材料价格非常昂贵(高达2000美元)。

而Saphlux的技术手段不仅可以在标准的大尺寸蓝宝石衬底上直接生长半极性氮化镓,还能直接控制晶体生长的方向和形状,可大幅降低成本并提升产能。

同年6 月,Saphlux的研究成果正式对外公布,全球前五的 LED 公司有 3 家开始使用其产品。另外,苹果 Micro-LED显示屏的供应商、大陆及台湾一些厂商也陆续下单。产品一经上线,广受客户认可。

而在业内,Saphlux的创新成果获得了一致肯定。世界半导体行业顶级期刊《复合半导体杂志》评价这一成果说:“第一代氮化镓材料的‘摩尔定律’将由Saphlux的半极性氮化镓延续。”台湾交通大学光电系系主任郭浩中则认为:“Saphlux的半极性外延片能够从根本上解决困扰Micro-LED的蓝、绿光峰移问题,将是接下来Micro-LED的发展趋势。”

2017年,Saphlux团队落户到位于西安的陕西光电子集成电路先导技术研究院。利用该孵化平台的MOCVD、电子束蒸镀机等专业化设备,Saphlux的研究成果很快从实验室进入了量产阶段。2017 年 11 月,西安Saphlux公司正式上线了 4 英寸(20-21)半极性氮化镓材料,并从 2018年3月开始规模生产及销售,良率达到95%以上,成为了全球首家可以量产工业级半极性氮化镓材料的硬科技企业。

2018年7月,在实现了大尺寸、无层错半极性氮化镓材料量产的基础上,Saphlux成功点亮了半极性绿光LED芯片,解决了下一代显示屏幕MicroLED的色彩问题,再次得到了业界和媒体的广泛关注。

2018年中旬,Saphlux又进一步开发了全彩转换技术,独家掌握了目前最优的消费级Micro-LED制备方案,确立了团队在未来显示领域的核心优势。

与此同时,Saphlux还与A股上市公司利亚德签订了合作协议,双方成立了“Saphlux-利亚德联合实验室”,开展基于半极性氮化镓的mini LED、micro LED和激光显示产品的研究及开发,并力图通过合作项目的方式迅速推动研发成果产业化。

此外,Saphlux还和欧美、日本和台湾等地的20余家着名厂商开展了合作和销售,重点发力在Micro-LED、半导体激光器、大功率LED等领域。

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