第４１卷㊀第１０期２０２０年１０月
发㊀光㊀学㊀报
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ
Ｖｏｌ ４１
Ｎｏ １０
Ｏｃｔ.ꎬ２０２０
㊀㊀收稿日期:２０２０￣０７￣０３ꎻ修订日期:２０２０￣０８￣０４
㊀㊀基金项目：国家自然科学基金面上项目(１１６７４０１６)ꎻ国家重点研发计划(２０１７ＹＦＢ０４０３１０２)资助项目
ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ(１１６７４０１６)ꎻＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＲ＆ＤＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ(２０１７ＹＦＢ０４０３１０２)
文章编号:１０００￣７０３２(２０２０)１０￣１３０９￣０９
高度集成的μＬＥＤ显示技术研究进展
严子雯１ꎬ２ꎬ严㊀１ꎬ２ꎬ李典伦１ꎬ２ꎬ张永爱１ꎬ２ꎬ周雄图１ꎬ２ꎬ叶㊀芸１ꎬ２ꎬ郭太良１ꎬ２ꎬ孙㊀捷１ꎬ２∗
(１.福州大学物理与信息工程学院ꎬ福建福州㊀３５０１０８ꎻ
２.中国福建光电信息科学与技术创新实验室ꎬ福建福州㊀３５０１１７)
摘要：微型发光二极管(μＬＥＤ)是当今国际最前沿的显示技术之一ꎬ它一般指单个尺寸小于５０μｍ的ＬＥＤ
阵列ꎮμＬＥＤ相对于液晶显示(ＬＣＤ)㊁有机发光二极管(ＯＬＥＤ)显示等技术有其独特的优势：寿命长㊁响应时间短㊁亮度高ꎮ最重要的是ꎬ它可以实现高度集成显示ꎬ既包括像素密度远远高于常规显示技术的高ＰＰＩ显示器件ꎬ也包括我们首次提出的集成了某些非显示元件的超大规模集成半导体信息显示器件(ＨＩＳＩＤ)ꎮ在许多显示技术的指标上ꎬμＬＥＤ的性能都很优异ꎮ但是ꎬ由于μＬＥＤ将常规ＬＥＤ器件的尺寸大大缩小ꎬ且往往密度提高ꎬ因此产生了许多新的技术和物理上的挑战ꎬ例如巨量转移技术㊁全彩化显示等ꎬ所以μＬＥＤ尚未实现真正意义上的产业化ꎮ本文对高度集成μＬＥＤ显示
技术的研究和发展情况进行了较系统的论述ꎬ首先对μＬＥＤ的基本原理和结构进行了介绍ꎬ然后对其重点核心技术进行了分类研究和点评ꎬ最后对μＬＥＤ显示技术的发展方向及其应用前景做出了分析ꎮ
关㊀键㊀词：微型发光二极管(μＬＥＤ)ꎻ驱动ꎻ巨量转移ꎻ全彩化ꎻ高度集成中图分类号:ＴＮ３１２.８㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.３７１８８/ＣＪＬ.２０２００１９１
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＨｉｇｈＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎＤｅｎｓｉｔｙμＬＥＤＤｉｓｐｌａｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＹＡＮＺｉ￣ｗｅｎ１ꎬ２ꎬＹＡＮＱｕｎ１ꎬ２ꎬＬＩＤｉａｎ￣ｌｕｎ１ꎬ２ꎬＺＨＡＮＧＹｏｎｇ￣ａｉ１ꎬ２ꎬＺＨＯＵＸｉｏｎｇ￣ｔｕ１ꎬ２ꎬ
ＹＥＹｕｎ１ꎬ２ꎬＧＵＯＴａｉ￣ｌｉａｎｇ１ꎬ２ꎬＳＵＮＪｉｅ１ꎬ２∗
(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＦｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＦｕｚｈｏｕ３５０１０８ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＦｕｊｉａｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａꎬＦｕｚｈｏｕ３５０１１７ꎬＣｈｉｎａ)
∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｊｉｅ.ｓｕｎ＠ｆｚｕ.ｅｄｕ.ｃｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｍｉｃｒｏｌｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ(μＬＥＤ)ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｃｕｔｔｉｎｇ￣ｅｄｇｅｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ.ＩｔｇｅｎｅｒａｌｌｙｒｅｆｅｒｓｔｏｔｈｅＬＥＤａｒｒａｙｗｉｔｈａｓｉｎｇｌｅｍｅｓａｓｉｚｅｌｅｓｓｔｈａｎ５０ｍｉｃｒｏｎｓ.Ｃｏｍ￣ｐａｒｅｄｗｉｔｈｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｄｉｓｐｌａｙ(ＬＣＤ)ａｎｄｏｒｇａｎｉｃｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ(ＯＬＥＤ)ｄｉｓｐｌａｙꎬμＬＥＤｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｉｔｓｕｎｉｑｕｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ:ｌｏｎｇｌｉｆｅｔｉｍｅꎬｓｈｏｒｔｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅꎬａｎｄｈｉｇｈｂｒｉｇｈｔ￣ｎｅｓｓ.Ｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｙꎬｉｔｅｎａｂｌｅｓｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｌｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｄｉｓｐｌａｙｓꎬｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｂｏｔｈｈｉｇｈ￣ＰＰＩｄｉｓｐｌａｙｓｗｉｔｈｍｕｃｈｈｉｇｈｅｒｐｉｘｅｌｄｅｎｓｉｔｉｅｓｔｈａｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓꎬａｎｄｈｉｇｈ￣ｌｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉｓｐｌａｙｓ(ＨＩＳＩＤ)ｔｈａｔｈａｖｅｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄｆｉｒｓｔｂｙｕｓａｎｄｃｏｎｔａｉｎｃｅｒｔａｉｎｎｏｎ￣ｄｉｓｐｌａｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ.ＩｎｍａｎｙｆｉｇｕｒｅｓｏｆｍｅｒｉｔｏｆｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬμＬＥＤｓｐｅ
ｒ￣ｆｏｒｍｅｘｃｅｌｌｅｎｔｌｙ.ＨｏｗｅｖｅｒꎬａｓμＬＥＤｓｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｉｚｅｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＬＥＤｄｅｖｉｃｅｓａｎｄｔｙｐｉ￣ｃａｌｌｙｈａｖｅａｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｄｅｖｉｃｅｄｅｎｓｉｔｙꎬｍａｎｙｎｅｗｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｈａｖｅａｒｉｓｅｎꎬｓｕｃｈａｓｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬｆｕｌｌ￣ｃｏｌｏｒｄｉｓｐｌａｙꎬｅｔｃ.ＴｈｅｒｅｆｏｒｅꎬμＬＥＤｓｈａｖｅｎｏｔｙｅｔａｃｈｉｅｖｅｄ
１３１０㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４１卷ａｎｙｒｅａｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ.ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｈｉｇｈｌｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄμＬＥＤｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｐｒｏｇｒｅｓｓａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ.ＦｉｒｓｔｏｆａｌｌꎬｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆμＬＥＤｓａｒｅｉｎ￣ｔｒｏｄｕｃｅｄꎬｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｒｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ.ＦｉｎａｌｌｙꎬｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅμＬＥＤｄｉｓｐｌａｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｉｃｒｏｌｉｇｈｔ￣ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ(μＬＥＤ)ꎻｄｒｉｖｅｒꎻｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｃｏｌｏｒｉｚａｔｉｏｎꎻｈｉｇｈｉｎｔｅｇ
ｒａｔｉｏｎｄｅｎｓｉｔｙ
１㊀引㊀㊀言
２０世纪以来ꎬ随着信息时代的发展ꎬ显示技术逐渐进入人们的生活中ꎬ其应用领域覆盖从医疗㊁教育㊁娱乐到工业㊁军事㊁航空航天的方方面面ꎮ显示技术也从最初的阴极射线管(ＣＲＴ)逐渐发展到如今的平板显示ꎮ液晶显示(ＬＣＤ)和等离子显示(ＰＤＰ)两种新的平板显示技术推出后ꎬ它们凭借节能㊁体积较小等优点ꎬ逐渐取代了占据显示市场数十年的ＣＲＴꎮ由于ＬＣＤ不断降低成本和提高性能ꎬＰＤＰ在不久后失去了竞争力ꎬ但是ＬＣＤ需要使用背光通过液晶矩阵发光产生图像ꎬ所以存在响应时间慢㊁转换效率低㊁均匀性差㊁彩饱和度低等缺点ꎮ近年来ꎬ新型显示技术逐渐发展起来ꎬ例如有机发光二极管(ＯＬＥＤ)显示㊁发光二极管(ＬＥＤ)显示等ꎮ与ＬＣＤ相比ꎬＯＬＥＤ显示是自发光显示ꎬ无需背光㊁视角宽㊁对比度高㊁省电㊁响应速度快㊁每个像素都可以独立控制ꎮ而且ꎬＯＬＥＤ的组成为固态结构ꎬ没有液态物质ꎬ抗机械振动性能更好ꎮ然而ꎬＯＬＥＤ显示屏寿命相对较短ꎬ加上彩纯度不够以及成本略高等因素ꎬＯＬＥＤ的市场占有率并未超过ＬＣＤꎮＬＥＤ显示则较多用于大型户外显示屏ꎬ具有寿命长㊁功耗低㊁亮度高㊁彩饱和度高等优点ꎮ目前ꎬＬＥＤ显示技术中ꎬ像素日趋微型化ꎮ越来越多的科研人员开始了关于微型ＬＥＤ(μＬＥＤ)的研究[１￣１３]ꎬ并将其视为下一代显示技术ꎮ
相比于ＬＣＤ和ＯＬＥＤꎬμＬＥＤ具有很多优势ꎬ如效率高㊁耐候性好㊁寿命长㊁分辨率可以很高等
ꎬ更重要的是ꎬ它可以实现所谓 高度集成显示 ꎮ本文中ꎬ这一概念有两重含义ꎮ其一ꎬ由于μＬＥＤ单个像素面积极小ꎬ因此可实现超高分辨率显示ꎻ其二ꎬ也可适当降低像素密度ꎬ而在其间隙处集成微传感器等非显示元素ꎬ与用户互动ꎮ这些都是传统技术很难实现的ꎮ但目前μＬＥＤ尚未产业化ꎬ主要是因为μＬＥＤ将ＬＥＤ器件尺寸缩小ꎬ且往往密度很高ꎬ所以许多新的技术挑战随之产生ꎬ如巨量转移技术和全彩化显示等ꎮ一方面ꎬ由于难以将驱动电路直接制备在μＬＥＤ衬底上ꎬ因此需要将μＬＥＤ器件从其衬底上转移并键合到互补金属氧化物半导体(ＣＭＯＳ)或薄膜晶体管(ＴＦＴ)驱动电路衬底上ꎮ然而ꎬ转移的μＬＥＤ尺寸小㊁数量多㊁需要精确对位且良率至少大于９９.９９９９％ꎬ所以这种巨量转移是μＬＥＤ公认的一个关键性技术ꎮ另一方面ꎬ由于在ＧａＮ上制备的红光μＬＥＤ的效率比较低ꎬ所以实现全彩化显示也是μＬＥＤ的一个重要技术难点ꎮ
本文主要介绍高度集成的μＬＥＤ显示技术的研究现状ꎬ将结合我们的科研实践ꎬ分别从μＬＥＤ显示技术的基本原理㊁结构与性能㊁驱动方式㊁重点技术等方面进行分析说明ꎬ最后介绍其最新市场应用ꎬ提出在显示领域有革命性意义的超大规模集成半导体信息显示器件(ＨＩＳＩＤ)的理念ꎬ并加以评述ꎮ
２㊀μＬＥＤ基本原理、结构与性能ＬＥＤ[１４]是一种将电能转化为光能的电致发光器件ꎬ其核心结构是由半导体材料形成的ＰＮ结ꎮ当对ＬＥＤ施加正向电压时ꎬ通过电极从Ｎ区和Ｐ区分别向空间电荷区注入电子和空穴ꎬ并在结区复合发光ꎮμＬＥＤ技术就是将ＬＥＤ微缩化和矩阵化ꎬ其发光单元尺寸在５０μｍ以下ꎬ且较高密度地集成在芯片上ꎮμＬＥＤ可以通过巨量转移的方式批量地转移到驱动电路
基板上ꎬ该基板可以为硬性或柔性㊁透明或不透明ꎮ然后ꎬ再利用物理气相沉积等方法在其上制备保护层和外接电极ꎬ并进行封装ꎮ
制备μＬＥＤ的材料一般是ＧａＮ基半导体ꎮμＬＥＤ主要由以下几部分组成：衬底㊁缓冲层㊁Ｎ型半导体㊁ＭＱＷｓ(多量子阱)㊁Ｐ型半导体以及电极ꎬ有些还有Ｐ￣ＡｌＧａＮ电子阻挡层ꎮ为进一步提高性能ꎬ还可加入光栅㊁光子晶体㊁分布式布拉格
㊀第１０期严子雯ꎬ等：高度集成的μＬＥＤ显示技术研究进展１３１１
㊀反射镜(ＤＢＲ)等附加结构ꎮμＬＥＤ芯片的结构主要分为正装结构㊁倒装结构㊁垂直结构等ꎮ如图１(ａ)所示ꎬ正装结构较为简单且易于加工ꎬ但是由于顶部需要制备电极因而使得出光面积减少ꎬ
且散热性能较差ꎻ倒装结构如图１(ｂ)所示ꎬ相比较于正装结构ꎬ光提取效率更高ꎬ器件的散热性能㊁可靠性和寿命也都得到了提高ꎮ
P 鄄
武(打一字)G a N M Q W s N 鄄G a N
U 鄄G a N
蓝宝石
电极凸点
（a ）
荷花的诗（b ）
I T O P 鄄GaN MQWs
电极
U 鄄G a N 图１㊀(ａ)μＬＥＤ正装结构ꎻ(ｂ)μＬＥＤ倒装结构ꎮＦｉｇ.１㊀(ａ)Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆａｃｅ￣ｕｐｐａｃｋａｇｅｄμＬＥＤ.(ｂ)Ｓｔｒｕｃ￣
ｔｕｒｅｏｆｆｌｉｐ￣ｃｈｉｐｐａｃｋａｇｅｄμＬＥＤ.
３㊀μＬＥＤ显示的驱动
国际名牌包包μＬＥＤ的驱动方式主要有两种模式：无源寻
址驱动和有源寻址驱动ꎮ
３.１㊀无源寻址驱动(ＰＭ)
无源寻址驱动
[１５]
是指在μＬＥＤ阵列中使用
金属连线分别将每列像素阳极相连ꎬ每行像素阴极相连ꎬ由外加行列控制器对行列电极进行动态
Data current source
Scan driver
图２㊀无源寻址驱动Ｆｉｇ.２㊀Ｐａｓｓｉｖｅａｄｄｒｅｓｓｉｎｇｄｒｉｖｅｒ
扫描ꎮ图２是无源寻址驱动的典型电路结构ꎬ当第ｘ行和第ｙ列选通时ꎬ其交点(ｘꎬｙ)处像素被点亮ꎮ使用无源寻址驱动方式对屏幕高速地逐点扫描ꎬ就可以实现全屏画面显示ꎮ无源寻址驱动方式结构简单且易实现ꎬ在设计和制备方面具有成本优势ꎮ图３是典型的无源寻址驱动阵列的剖面和三维结构示意图ꎮ
床垫十大品牌P m e
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ITO
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S a p p
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滋LED
N metal
图３㊀无源寻址驱动阵列ꎮ(ａ)剖面图ꎻ(ｂ)３Ｄ结构图ꎮＦｉｇ.３㊀Ｐａｓｓｉｖｅａｄｄｒｅｓｓｉｎｇｄｒｉｖｅｒａｒｒａｙ.(ａ)Ｃｒｏｓｓ￣ｓｅｃｔｉｏｎａｌ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.(ｂ)３Ｄｖｉｅｗｏｆｔｈｅｐａｓｓｉｖｅａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ
ｄｒｉｖｅｒ.
３.２㊀有源寻址驱动(ＡＭ)
典型的有源寻址驱动[１６￣１８]方式一般是指采用金属键合工艺将μＬＥＤ芯片倒装在驱动基板上(如ＣＭＯＳ)ꎬ每个像素的阴极通过共用Ｎ型ＧａＮ连接ꎬ阳极则与ＣＭＯＳ驱动基板金属键合ꎮ使用这种方式ꎬ每个像素都有独立的驱动电路ꎬ可以方便地单独寻址控制ꎮ有源寻址驱动方式中ꎬ经常使用两个晶体管一个电容(２Ｔ１Ｃ)驱动电路ꎬ如图
４所示ꎮ每个μＬＥＤ的电流控制通过寻址晶体管Ｔ１㊁驱动晶体管Ｔ２和一个存储电容Ｃ实现ꎮ信号存储在电容中ꎬ使得像素器件处于保持状态ꎬ直至下一帧信号刷新ꎬ从而在整个周期产生所需的连续电流[１２]ꎮ此处介绍２Ｔ１Ｃ结构是因为它是有源驱动的一种基本电路ꎬ简单且易实现ꎬ但其本质是电压控制电流源ꎬ而μＬＥＤ是电流型器件ꎬ所以该电路较难控制显示灰度ꎮ更精细的设计ꎬ例如
４Ｔ２Ｃ电路ꎬ是一种电流控制电流源的电流比例型
１３１２㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第４１卷
驱动电路ꎬ对实现μＬＥＤ的灰阶更有利ꎬ此处不详述ꎮ
LED
T2
V DD
C
T1
V scan
V data
图４㊀２Ｔ１Ｃ有源寻址驱动电路图Ｆｉｇ.４㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａ２Ｔ１ＣＡＭｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ教师节简短祝福
目前主要有整片转移和晶粒转移两种方式来组装有源寻址驱动μＬＥＤꎮ整片转移方式是将外延片制成μＬＥＤ阵列后ꎬ整体倒装在驱动基板上ꎬ但由于目前很难在同一基板上有选择地生长不同颜的μＬＥＤꎬ所以很难实现全彩化ꎮ晶粒转移方式是将μＬＥＤ衬底切割成单晶粒ꎬ通过巨量转移方式转移到驱动基板上ꎮ但是当前巨量转移技术还不成熟ꎬ所以组装成本较高ꎮ３.３㊀两种驱动方式对比
与无源寻址驱动方式相比ꎬ有源寻址驱动方式更适合应用在μＬＥＤ器件中ꎬ它有着显著的优势ꎮ
虽然无源寻址驱动方式结构简单且易实现ꎬ但是也存在许多不足：它采用共行共列的电极ꎬ会产生较大的寄生电阻和电容ꎬ导致功耗大ꎻ驱动电压较高时ꎬ驱动电流从选定像素通过ꎬ但其周围像素也会受到电流影响ꎬ产生像素串扰ꎬ影响显示质量ꎻ由于外部集成电路的驱动能力有限ꎬ每个像素
的亮度受这一行或列中已经亮起像素的数量影响ꎬ当行或列亮起的像素个数不同时ꎬ施加到每个像素上的驱动电流不同ꎬ亮度产生差异ꎬ对于大面积的显示应用而言ꎬ会极大地影响屏幕亮度的均匀性及对比度ꎻ对于彩μＬＥＤ阵列ꎬ单个像素中包含３种不同的μＬＥＤꎬ每种μＬＥＤ需要的驱动电压不同ꎬ需要更复杂的驱动电路ꎬ使得驱动的难度增大ꎮ图３为无源寻址驱动阵列剖面图和３Ｄ结构图ꎮ因为需要深刻蚀到衬底以确保每个μＬＥＤ之间都是电学隔离的ꎬ所以电极经过深隔离槽时有可能会出现断裂ꎬ器件可靠性降低ꎬ并且这种结构使得发光单元的间距增大ꎬ像素密度受到影响ꎮ所以无源寻址驱动方式不是非常适合于大尺寸和超高分辨率的显示ꎮ
与此相反ꎬ对于有源寻址驱动方式ꎬ其驱动能力更强ꎬ驱动速度更快ꎬ所以更加适合大面积和高分辨率的μＬＥＤ显示ꎻ有源寻址驱动方式无行列扫描损耗ꎬ功耗更小ꎬ效率更高ꎻ有源寻址驱动方式的亮度均匀性和对比度也较好ꎻ每个像素都有独立的驱动电路ꎬ被点亮像素不影响周围的像素ꎬ可以较好地解决串扰问题ꎮ
４㊀μＬＥＤ巨量转移技术
μＬＥＤ巨量转移技术主要是指将生长在外延
衬底上的μＬＥＤ阵列快速精准地转移到驱动电路基板上ꎬ并与驱动电路之间形成良好的电气连接和机械固定的技术ꎬ也是当前限制μＬＥＤ产业化的一个瓶颈技术ꎬ能否大量㊁快速㊁准确地转移μＬＥＤ芯片到目标基板上决定着μＬＥＤ是否能够真正实现量产ꎮ巨量转移技术在μＬＥＤ显示中之所以十分必要ꎬ主要是由于以下几点：由于ＧａＮμＬＥＤ
表１㊀主要巨量转移技术Ｔａｂ.１㊀Ｍａｊｏｒｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
方法
主要机理
具体细节
流体自组装
重力和毛细管力
利用重力和毛细管力驱动悬浮在液体中的μＬＥＤ到达指定位置ꎬ并与基板表面合金产生电气
连接ꎮ
范德华力
利用弹性印章和μＬＥＤ之间的范德华力作用ꎬ将μＬＥＤ转移到目标基板上ꎮ印章抓取磁力通过电磁力控制μＬＥＤ芯片的吸取和放置ꎮ
静电力
印章头被介电层分开ꎬ形成一对分别带有正电和负电的硅电极ꎬ通过控制电极正负来抓取和放置芯片ꎮ
选择性释放激光剥离利用激光将μＬＥＤ与原衬底之间的界面层分离ꎬ通过局部产生的机械力将μＬＥＤ芯片推向目标衬底ꎮ滚轴转印
滚轴式印章
通过滚轮将ＴＦＴ与μＬＥＤ转移到目标衬底上ꎮ
㊀第１０期严子雯ꎬ等：高度集成的μＬＥＤ显示技术研究进展１３１３㊀外延片与ＧａＮ晶体管外延片结构差异很大ꎬ在
ＧａＮμＬＥＤ外延片上直接制备基于ＧａＮ晶体管的
驱动电路需要二次外延生长ꎬ工艺复杂且可靠性
较差ꎬ因此需要巨量转移μＬＥＤ到另外的驱动衬
底上ꎻ为了实现可穿戴设备ꎬ需要将μＬＥＤ转移到柔性或可拉伸衬底上ꎻ有时需要通过巨量转移技术来有选择地转移部分μＬＥＤꎬ以匹配不同分辨率显示设备的像素间距ꎻ巨量转移技术可以用于实现μＬＥＤ全彩化显示ꎬ亦即通过巨量转移技术分别将红绿蓝(ＲＧＢ)三μＬＥＤ晶粒转移到驱动电路基板上ꎬ以实现全彩化ꎻＨＩＳＩＤ器件中ꎬ也需要采用巨量转移技术加入非显示元件等ꎮ目前μＬＥＤ巨量转移技术主要有流体自组装技术㊁印章抓取技术㊁选择性释放技术㊁滚轴转印技术等ꎮ
４.１㊀流体自组装技术(ＦＳＡ)
流体自组装技术[１９￣２０]是通过重力和毛细管力驱动并捕获μＬＥＤ至驱动电路基板的一种转移方式ꎮ自组装一般是在液体中进行ꎬμＬＥＤ在液体中悬浮并在目标基板表面流动ꎬ到达被捕获的位置ꎬ与目标基板表面合金接触并与目标基板形成电气连接ꎮＣｈｏ等[２１]采用流体自组装方式ꎬ将圆形芯片㊁表面具有低熔点合金涂层的基板和组装溶液放入玻璃小瓶ꎬ加热并振荡ꎬ芯片在流动时被低熔点合金捕获并与基板形成电气连接ꎬ在
１ｍｉｎ内将１９０００多块直径为４５μｍ的蓝μＬＥＤ组装在基板上ꎬ成功率达９９.９％ꎮ
４.２㊀印章抓取技术
印章抓取技术是指通过范德华力㊁磁力或者静电力将μＬＥＤ芯片黏附在转移用的印章上ꎬ然后放置在目标基板上[２２]ꎮＸ￣Ｃｅｌｅｐｒｉｎｔ[２３]在２０１５年提出一种弹性印章技术ꎬ如图５所示ꎬ弹性印章一般由聚二甲基硅氧烷(ＰＤＭＳ)为载体ꎮ为了使μＬＥＤ芯片更好地被印章抓取并脱离原基板ꎬ在制备μＬＥＤ过程中加入一层牺牲层ꎬ去除牺牲层后ꎬμＬＥＤ器件与原基板中间有一部分镂空ꎮ印章和器件之间通过范德华力结合ꎬ提起印章将使器件与原基板镂空处的连接断裂ꎬ并按原有阵列排布的格局转移到印章上ꎬ良率大于９９.９％ꎮＩＴＲＩ提出将μＬＥＤ中混入铁钴镍等材料ꎬ通过电磁力控制芯片抓取ꎮＬｕｘＶｕｅ[２４]提出采用静电力抓取芯片ꎬ通过对印章施加正负电压来控制μＬＥＤ的抓取和放置ꎮNative substrate with滋LED devices
Elastomer stamp(PDMS)
Devices are transferred onto stamp
Devices are printed onto target substrate
图５㊀印章抓取技术示意图
Ｆｉｇ.５㊀Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔａｍｐ￣ｂａｓｅｄｐｉｃｋ＆ｐｌａｃｅｔｅｃｈ￣ｎｉｑｕｅ
４.３㊀选择性释放技术
选择性释放技术[２５]是使用激光束将μＬＥＤ从衬底上剥离ꎬ然后再转移到目标基板上ꎮ如图６所示ꎬ在激光照射下ꎬ原始衬底与μＬＥＤ的界面处发生反应ꎬ分解界面层ꎬμＬＥＤ脱离衬底ꎬ同时有局部的机械力将μＬＥＤ推向目标基板ꎮ目前有报道使用大规模并行激光转移技术ꎬ实现了每小时１亿次以上的转移效率ꎮ
Thin film
Laser source
Beam shaping
Donor
substrate
Receiver
substrate
你现在哪里 我每天都在想你图６㊀选择性释放技术示意图
Ｆｉｇ.６㊀Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｓｅｒ￣ｉｎｄｕｃｅｄｆｏｒｗａｒｄｔｒａｎｓｆｅｒ４.４㊀滚轴转印技术
滚轴转印技术[２６]是由韩国ＫＩＭＭ提出的一种μＬＥＤ转移方式ꎬ可以用于转移厚度小于１０μｍ㊁尺寸小于１００μｍ的μＬＥＤ芯片ꎮ这个方法可以用于柔性㊁可拉伸和轻量级的显示设备ꎬ转移速率高达每秒１００００个ꎮ如图７所示ꎬ首先利用涂覆一次性转移膜的滚轮将ＴＦＴ阵列拾取并放置在临时基板上ꎻ然后将μＬＥＤ用同样的方法拾取放置在有ＴＦＴ的临时基板上ꎬ与ＴＦＴ焊接ꎻ最后ꎬ将μＬＥＤ和ＴＦＴ互联阵列滚动转移到目标衬底上ꎮ
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