壽命長、穩(wěn)定性高的μLED技術簡介

　　寬能隙（Wide Bandgap）半導體氮化鎵（GaN）及其相關化合物半導體材料，被廣泛開發(fā)用于照明及各種光電元件上。氮化鎵發(fā)光二極體（GaN LED）發(fā)光波長涵蓋綠光至深紫外光波段，在可預見的未來，將完全取代傳統(tǒng)白熾燈泡及螢光燈做為照明光源。

　　另一種潛在的光電元件是微光電陣列元件（Micro Optoelectronic Device），該元件集合成千上萬如發(fā)光體（Emitter）、偵測器（Detector）、光學開關（Optical Switch）或光波導（Optical Waveguide）等微型元件于單一晶片上。工研院預期微光電陣列元件未來將在顯示、生醫(yī)感測（Biosensor）、光通訊或光纖通訊、光互連 （Interconnect）及訊號處理（Signal Process）領域上扮演重要角色。

　　微發(fā)光二極體陣列（Micro LED Array）透過定址化驅(qū)動技術做為顯示器，除具有LED的高效率、高亮度、高可靠度及反應時間快等特點，其自發(fā)光顯示--無需背光源的特性，更具節(jié)能、機構(gòu)簡易、體積小、薄型等優(yōu)勢。Micro LED比起同樣是自發(fā)光的有機發(fā)光二極體（OLED）顯示器，有較佳的材料穩(wěn)定性、壽命長、無影像烙印等問題，其獨特的高亮度特性在投影式顯示應用，如微投影（Pico Projection）、頭戴式光學透視顯示器（See-through HMD）、抬頭顯示器（Head-up Display， HUD）等，更具競爭力。此外，奈秒（Nano Second）等級的高速響應特性使得LED顯示器除適合做叁維（3D）顯示外，更能高速調(diào)變、承載訊號，做為智慧顯示器的可視光無線通訊功能。

　　Micro LED技術塬理

　　Micro LED微顯示器的晶片表面必須製作成如同LED顯示器般之陣列結(jié)構(gòu)，且每一個點畫素（Pixel）必須可定址控制、單獨驅(qū)動點亮。若透過互補式金屬氧化物半導體（CMOS）電路驅(qū)動則為主動定址驅(qū)動架構(gòu)，Micro LED陣列晶片與CMOS間可透過封裝技術，如覆晶封裝方式（Flip Chip Bonding）形成電性連結(jié)。黏貼完成后Micro LED能藉由整合微透鏡陣列（Microlens Array），提高亮度及對比度。圖1是被動定址Micro LED微顯示晶片，Micro LED陣列經(jīng)由垂直交錯的正、負柵狀電極（P-metal Line & N-metal Line）連結(jié)每一顆Micro LED的正、負極，透過電極線的依序通電，透過掃描方式點亮Micro LED以顯示影像。主動驅(qū)動顯示器比被動矩陣驅(qū)動方式更節(jié)能、更快反應速度，向來是高解析顯示器主流驅(qū)動方式。

　　圖1 Micro LED被動定址陣列架構(gòu)示意圖及晶片照片

　　Micro LED技術挑戰(zhàn)亟待突破

　　Micro LED（《50微米（μm））存在有別于一般尺寸（》100微米）LED的特性。例如一般尺寸LED幾乎沒有電流擁擠（Current Crowding）、熱堆積等問題，且因晶格應力釋放及較大出光表面而可能有較佳的效率等優(yōu)勢。相對的，較大表面積的Micro LED可能因表面缺陷多而有較大的漏電路徑，微小電極提高串聯(lián)電阻值，都會影響發(fā)光效率。因此，微型LED陣列化製程開發(fā)及微型LED的結(jié)構(gòu)設計須克服上述問題。此外，Micro LED的均勻度關係到成像品質(zhì)及產(chǎn)品良率，為技術開發(fā)挑戰(zhàn)之一。

　　事實上，目前的Micro LED微顯示器均為單光色，塬因在于單一基板上很難同時有磊晶成長不同波長，并且保持高品質(zhì)的LED。因此，據(jù)文獻資料顯示，美商3M可能以波長轉(zhuǎn)換的方式將藍光（或UV）光透過量子井光激發(fā)層轉(zhuǎn)成紅、（藍）、綠光，構(gòu)成叁塬色光模式（RGB）畫素。而索尼（Sony）、OKI等廠商則傾向採用以分次轉(zhuǎn)貼紅、藍、綠光Micro LED磊晶薄膜的技術（Epi-film Transfer），構(gòu)成彩色Micro LED陣列。在Micro LED畫素大小約10微米尺度下，RGB陣列技術是全球各團隊亟待突破的技術瓶頸。

　　各國技術研發(fā)迭有進展

　　德州科技大學（Texas Tech University）的江教授團隊在2011年底發(fā)表了至目前為止，全球密集度最高（1，693dpi）的綠光主動定址Micro LED陣列晶片（圖2），達視訊圖形陣列（VGA）（640×480）解析度。此種微顯示器結(jié)合Micro LED陣列和CMOS的驅(qū)動積體電路（IC），每個Micro LED單體下都有一驅(qū)動電晶體電路，可個別控制發(fā)光。

　　圖2 德州科大所開發(fā)的主動定址微晶粒發(fā)光二極體陣列微顯示器

　　美國Ostendo Technology公司透過優(yōu)化半導體製程中的微影及蝕刻技術（圖3），在4吋LED晶圓上實現(xiàn)均勻度98%，密集度高達2，450dpi的Micro LED陣列。此技術的開發(fā)有助于高解析的LED微顯示器實用化。Ostendo也將運用此技術製作雷射二極體（LD）陣列，做為投影顯示源，此舉將比 LED微顯示器在投影應用上，具有更佳的光學效率。

　　圖3 Ostendo Technology公司開發(fā)Micro LED陣列點距10μm的製程技術

　　英國Strathclyde大學的Dawson教授在Micro LED的研究上投入頗多，圖4為其製作的64×64微顯示器。他們并將微透鏡（Microlens）積體電路整合到Micro LED陣列上，用來提高顯示器亮度。2010年中研究團隊更衍生成立mLED公司，提供Micro LED技術平臺，配合客戶開發(fā)生醫(yī)、微顯示、列印、半導體製程光源等相關應用模組或產(chǎn)品。

　　圖4 mLED開發(fā)的64×64 Micro LED陣列

　　圖5為工研院電光所製作之240×160 Micro LED元件。元件尺寸為7.4毫米（mm）×4.9毫米，Micro LED畫素間距為30微米（846dpi）。工研院電光所目前已製作出紅、藍、綠光的Micro LED陣列，并朝整合紅、藍、綠叁光色Micro LED在單一晶片中開發(fā)，以實現(xiàn)單晶片Micro LED全彩顯示晶片。

　　圖5 工研院電光所製作的240×160藍光LED微晶粒陣列元件影像