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CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，近幾年，微型顯示器市場出現(xiàn)了大幅增長，這主要得益于虛擬現(xiàn)實頭顯和電子取景器等應(yīng)用市場的成長。目前這些市場中應(yīng)用最多的還是基于有機發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)。不過，隨著增強現(xiàn)實智能眼鏡等新需求的出現(xiàn)，市場開始需要更高亮度的微型顯示器，這也就推動了這些領(lǐng)域?qū)纹組icro-LED微型顯示器件的需求，這種LED顯示器件具有超高亮度和出色的耐用性。
對于使用單片式Micro-LED的微型顯示器，現(xiàn)有市場已經(jīng)開始將紅、綠、藍(lán)（RGB）單色單片Micro-LED與棱鏡相結(jié)合的產(chǎn)品方案商業(yè)化。不過，相比較而言，基于單個單片式Micro-LED芯片實現(xiàn)全彩色顯示，對于降低器件成本和方案小型化來說是非常理想的。
為此，該領(lǐng)域的研究人員，已經(jīng)提出了很多潛在方法，很多也目前正在開發(fā)中。其中一種方法是將藍(lán)色單片式Micro-LED與顏色轉(zhuǎn)換層（如量子點）相結(jié)合，這樣能個借助顏色轉(zhuǎn)換層將藍(lán)色光轉(zhuǎn)換為綠色或紅色，這也是目前最接近商業(yè)化的方案。另外一些方法可以在不使用顏色轉(zhuǎn)換材料的情況下，僅使用單一的GaN基材料實現(xiàn)全彩色顯示。這些方案包括新型納米柱結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，決定所發(fā)光顏色的銦（In）元素含量可以通過納米柱結(jié)構(gòu)的直徑和密度的差異來控制。
最近，日本豐田合成報告了他們基于堆疊氮化銦鎵（InGaN）層開發(fā)全彩色、單片式Micro-LED顯示器的進(jìn)展。研究人員評論道：“他們所提出的基于半導(dǎo)體工藝和方法，未來能夠制造低成本、高分辨率的微型Micro-LED顯示器。”
盡管研究人員所使用的再生步驟，看起來似乎增加了工藝復(fù)雜性和成本，但該團隊卻認(rèn)為它在驅(qū)動電路的設(shè)計層面卻帶來極大的補償。按他們的解釋，其他不需要再生的方法，將藍(lán)色單片式Micro-LED與量子點材料結(jié)合則需要不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝的材料和設(shè)備，而且通過隧道結(jié)堆疊RGB外延層時更是需要復(fù)雜的驅(qū)動電路?！?/p>
實際上，如圖1所示，微型顯示芯片的材料通常是通過金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備在圖案化的藍(lán)寶石上生長出來的。在選擇性去除初始MOCVD中生長的材料后，研究人員就可以在再生長步驟中制造出用于單獨驅(qū)動紅、綠和藍(lán)色發(fā)光層的p型電極。這之后，進(jìn)一步的制造過程涉及臺面隔離、氧化銦錫（ITO）p電極沉積和隔離、二氧化硅（SiO2）鈍化以及n和p金屬焊盤沉積。
該團隊報告稱，在他們之前的微型顯示器研發(fā)過程中，他們增加了兩個額外的干法蝕刻步驟：“去除n-GaN，隔離每一行用于無源矩陣驅(qū)動，并去除相鄰子像素之間的p型層”。如果沒有p電極隔離，這些器件會在相鄰子像素間產(chǎn)生非設(shè)計串?dāng)_發(fā)光。
研究人員評論道：“無源矩陣驅(qū)動電路中的每一行都會連接到一個公共的陰極上，我們不需要去除同一行內(nèi)相鄰子像素之間的n-GaN來隔離它們，我們只去除了p型層。不過，為了保證無源矩陣驅(qū)動電路的正常工作，我們還需要去除不同行之間的n-GaN?！?/p>
研究人員最終制造完成的芯片由一個96x96像素陣列組成，其總顯示面積為2.88mm×2.88mm。芯片本身的尺寸為3mm×3mm。
如圖2所示，在探測實驗中，研究小組發(fā)現(xiàn)，他們在使用20μA和200μA的驅(qū)動電流注入到紅、綠和藍(lán)色三種像素中時，這三種子像素的發(fā)光波長分別偏移了21nm、23nm和8nm。其中，紅色子像素的驅(qū)動電壓比綠色和藍(lán)色子像素低約0.7V，據(jù)研究人員解釋，可能是因為紅色發(fā)光材料的帶隙為2.1eV，比藍(lán)色發(fā)光材料的2.7eV帶隙更小。不過，這里的綠色子像素的驅(qū)動壓力反常地超過了藍(lán)色子像素，研究人員解釋說，“這可能是由于綠色子像素內(nèi)形成了多色結(jié)構(gòu)”。
基于與常規(guī)尺寸LED的比較，這里的紅色藍(lán)三色子像素的外量子效率（EQE）的間接估計值分別為0.2%、2%和3%。之所以通過這種方法間接預(yù)估，主要是因為研究人員還無法直接通過測量微光發(fā)射來進(jìn)行評估。
研究人員評論道：“由于InGaN紅色發(fā)射的困難，紅色子像素的發(fā)光效率比其他兩種顏色低了一個數(shù)量級，由于本研究中考慮了結(jié)構(gòu)特定的工藝，綠色和藍(lán)色的效率也要比普通的單色Micro-LED低?！?/p>
該團隊還報告說：“基于這種方案所制造的單片式全彩色Micro-LED顯示器的色域覆蓋了ITU-R建議BT.2020（BT.2020）的57.6%，如果參考美國國家電視系統(tǒng)委員會（NTSC）的色域標(biāo)準(zhǔn)，那這個比例為69.9%。”
這里的色域比該團隊之前的開發(fā)的微型顯示器件要窄得多，之前實現(xiàn)了95.4%的NTSC覆蓋率。對此，研究人員寫道：“這種色域覆蓋率的減少，主要歸因于目前所開發(fā)紅光Micro-LED所發(fā)光的波長有所縮短，而這又是由于紅光發(fā)射層的質(zhì)量和高電流注入造成的”，研究人員補充道：“這種限制未來完全可以通過調(diào)整紅光發(fā)射層來解決?！?/p>
這些微型顯示芯片以無源矩陣的方式驅(qū)動連接，制造顯示器時，這些發(fā)光芯片又連接到了一塊包含Teensy 4.1微控制器的驅(qū)動電路板上，該微控制器主要用于產(chǎn)生串行數(shù)據(jù)和時鐘信號。外接輸入的顯示數(shù)據(jù)線被轉(zhuǎn)換為并行格式，然后通過移位寄存器電路和晶體管陣列驅(qū)動各個像素。
最后，如圖3所示，該團隊使用傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）方式渲染顯示了一張關(guān)于紅衣主教四叉魚的4個灰階的全彩色圖像?？梢钥闯?，圖像中，該物種的藍(lán)色/紅色部分受到了較低紅色通道質(zhì)量的影響。實際上，這可以通過更精確的電流和/或脈沖寬度調(diào)整來糾正，以補償紅色子像素較低的效率和性能。另外，在該顯示芯片的周邊部分還有一些沒有發(fā)光的區(qū)域，這顯然是由于芯片到子基板鍵合過程中鍵合壓力不足造成的。
