由本期開始，本系列將通過淺顯易懂的科普文章為大家逐次介紹micro-LED技術的發展歷史、驅動方式、彩色化、發展趨勢等內容，力圖通過有限的文字使大家對micro-LED有一個初步的認識。
LED技術已經發展了近三十年，最初只是作為一種新型固態照明光源，之後雖應用於顯示領域，卻依然只是幕後英雄——背光模組。如今，LED逐漸從幕後走向臺前，迎來最蓬勃發展的時期。如今它已多次出現在各種重要場合，在顯示領域扮演著越來越重要的角色。
▲圖1 LED在 ①鳥巢 ②水立方 ③上海世博會上的應用
LED之所以能夠成為當前的關注焦點，主要歸功於它許多得天獨厚的優點。它不僅能夠自發光，尺寸小，重量輕，亮度高，更有著壽命更長，功耗更低，響應時間更快，及可控性更強的優點。這使得LED有著更廣闊的應用範圍，並由此誕生出更高科技的產品。
▲圖2 LED 大尺寸顯示屏（解析度較低）
▲圖3 8×8 LED陣列與micro-LED陣列的對比
如今，LED大尺寸顯示屏已經投入應用於一些廣告或者裝飾牆等。然而其像素尺寸都很大，這直接影響了顯示圖像的細膩程度，當觀看距離稍近時其顯示效果差強人意。此時，micro-LED display 應運而生，它不僅有著LED的所有優勢，還有著明顯的高解析度及便攜性等特點。
當前micro-LED display的發展主要有兩種趨勢。一個是索尼公司的主攻方向——小間距大尺寸高解析度的室內/外顯示屏。另一種則是蘋果公司正在推出的可穿戴設備（如 Apple Watch），該類設備的顯示部分要求解析度高、便攜性強、功耗低亮度高，而這些正是micro-LED的優勢所在。
Micro-LED display 已經發展了十數年，期間世界上多個項目組發布成果並促進著相關技術進一步發展。例如，2001年日本Satoshi Takano團隊公布了他們的研究的一組micro-LED陣列。
該陣列採用無源驅動方式，且使用打線連接像素與驅動電路，並將紅綠藍三個LED晶片放置在同一個矽反射器上，通過RGB的方式實現彩色化。該陣列雖初見成效，但也有著不容忽視的缺點，其解析度與可靠性都還很低，不同LED的正嚮導通電壓差別比較大[1]。
同年，H. X. Jiang團隊也同樣做出了一個無源矩驅動的10×10 micro-LED array。這個陣列創新性的使用四個公共n電極和100個獨立p電極。並採用複雜的版圖設計以儘量最優化連線布局。雖然顯示效果有一定的進步，但沒有解決集成能力低的問題[2]。
▲圖4 H. X. Jiang團隊的10×10 陣列連線布局
另一個比較突出的成果是在2006年由香港科技大學團隊公布的。同樣採用無源驅動，使用倒裝焊技術集成Micro-LED 陣列[3]。但是同一行像素的正嚮導通電壓也差別比較大，而且當該列亮起的像素數目不同時，像素的亮度也會受到影響，亮度的均勻性還不夠好。
▲圖5 香港科技大學團隊成果展示
2008年，Z. Y. Fan團隊公布另一個無源驅動的120×120的微陣列，其晶片尺寸為3.2mm×3.2mm，像素尺寸為20×12μm，像素間隔為22μm。尺寸方面已經明顯得到優化，但是，依然需要大量的打線，版圖布局仍然十分複雜[4]。
而同年Z. Gong團隊公布的微陣列，依然採用無源矩陣驅動，並使用倒裝焊技術集成。該團隊做出了藍光（470nm）micro-LED陣列和UV micro-LED（370nm）陣列，並成功通過UV LED陣列激發了綠光和紅光量子點證明了量子點彩色化方式的可行性[5]。
▲圖6 UV micro-LED 陣列
▲ 圖7 Micro-LED 陣列與Si-CMOS的集成
此外，在該年，B. R. Rae 團隊成功集成了 Si-CMOS 電路，該電路可為UV LED提供合適的電脈衝信號，併集成了SPAS （single photo avalanche diode ）探測器，主要應用於在可攜式螢光壽命讀寫器。然而其驅動能力比較弱，且工作電壓很高[6]。
2009年，香港科技大學Z. J. Liu所在團隊利用UV micro-LED陣列激發紅綠藍三色螢光粉，得到了全彩色的微LED顯示晶片[7]。2010年該團隊分別利用紅綠藍三種LED外延片製備出360 PPI的微LED顯示晶片[8]，並把三個晶片集成在一起實現了世界上首個去背光源化的全彩色微LED投影機[9]。
▲圖8 世界上首個去背光源的全彩色micro-LED投影機
之後，Z. J. Liu所在的香港科技大學團隊與中山大學團隊合力將微LED顯示的解析度提高到1700 PPI，像素點距縮小到12微米，採用無源選址方式+倒裝焊封裝技術[10]。與此同時他們還成功製備出解析度為846 PPI的WQVGA 有源選址微LED顯示晶片，並在該晶片中集成了光通訊功能[11]。
▲圖9 1700 PPI micro-LED微顯示晶片
這些僅是micro-LED發展歷史中比較重要的一些成果。之後，關於micro-LED的探索不斷深入，更多的進展不斷被公布，包括進一步減小尺寸，提高亮度的均勻性等，關於其驅動方式，製備工藝及彩色化的實現等方面也有著諸多討論，這些將在後續系列中進行介紹。
作者：劉召軍 張珂
光電集成實驗室（EPIL）
中山大學卡內基梅隆大學聯合工程學院（JIE）
廣東順德中山大學卡內基梅隆大學國際聯合研究院（JRI）
中山大學電子與信息工程學院（SEIT）
參考文獻：
[1].Satoshi Takano, T. IEE Japan, Vol. 121-E, No.8, 2001.
[2].H. X. Jiang, Appl. Phys. Lett., Vol. 78, No.9, 26 February 2001.
[3].C. W. Keung and K. M. Lau, EMC2006 (PA, USA).
[4].Z. Y. Fan, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 094001.
[5].Z. Gong, et al, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 094002.
[6].B. R. Rae, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 094011.
[7].Z. J. Liu, et al, SID 11 Digest, pp. 1215-1218.
[8].Z. J. Liu, et al, IEEE J. Display Technol. 9 (2013) 2256107.
[9].Z. J. Liu, et al, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.25, no.23, 2013.
[10].W. C. Chong, et al, IEEE CSICS, (2014) 6978524.
[11].X. Li, et al, IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 34, No. 14, July 15, 2016.
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