近日，为了更全面的了解microLED的技术发展与市场潜力，在线君对microLED的历史、现况、原理、制程及参与企业等多方面做了全面的梳理。
历史
说起Micro LED，先得从显示TFT-LCD背光模组应用说起。在1990年代TFT-LCD开始蓬勃发展时，因LED具有高色彩饱和度、省电、轻薄等特点，部分厂商就利用LED做背光源。然而因成本过高、散热不佳、光电效率低等因素，并未大量应用于TFT-LCD产品中。
直到2000年，蓝光LED芯片刺激荧光粉制成白光LED技术的制程、效能、成本开始逐渐成熟；当进入2008年，白光LED背光模组呈现爆发性的成长，几年间几乎全面取代了CCFL，其应用领域由手机、平板电脑、笔电、台式显示器乃至电视等等。
然而，因TFT-LCD非自发光的显示原理所致，其opencell穿透率约在7%以下，造成TFT-LCD的光电效率低落；且白光LED所能提供的色饱和度仍不如三原色LED，大部分TFT-LCD产品约仅72%NTSC；再则，于室外环境下，TFT-LCD亮度无法提升至1000nits以上，致使影像和色彩辨识度低，为其一大应用缺陷。故另一种直接利用三原色LED做为自发光显示点划素的LED Display或Micro LED Display的技术也正在发展中。
现况
随着LED的成熟与演进，Micro LED Display自2010年起开始有着不一样的面貌呈现。
从其发展历程来看，2012年Sony发表的55寸“CrystalLEDDisplay”就是MicroLEDDisplay技术类型，其FullHD解析度共使用约622万(1920x1080x3)颗micro LED做为高解析的显示划素，对比度可达百万比一，色饱和度可达140%NTSC，无反应时间和使用寿命问题。但是因采单颗MicroLED嵌入方式，在商业化上，仍有不少的成本与技术瓶颈存在，以致于迄今未能量产。
虽然MicroLED理论上是皆可应用各类尺寸产品，但从自身良率及制程来看，目前对解析度高低的需求与良率成反比，所以对解析度要求不高的穿戴式产品的显示器因尺寸面积小、制作良率较高、符合节电需求，而被优先导入microLED。
一般LED芯片包含基板和磊晶层其厚度约在100~500μm，且尺寸介于100~1000μm。而更进一步正在进行的Micro LED Display研究在于将LED表面厚约4~5μm磊晶层用物理或化学机制剥离，再移植至电路基板上。
其Micro LED Display综合TFT-LCD和LED两大技术特点，在材料、制程、设备的发展较为成熟，产品规格远高于目前的TFT-LCD或OLED，应用领域更为广泛包含软性、透明显示器，为一可行性高的次世代平面显示器技术。
自2010年后各厂商积极于Micro LED Display的技术整合与开发，然因Micro LED Display尚未有标准的μLED结构、量产制程与驱动电路设计，各厂商其专利布局更是兵家必争之地。
迄2016年止，已被Apple并购的Luxvue、MikroMesa、SONY、leti等公司皆已具数量规模的专利申请案，更有为数众多的公司与研究机构投入相关的技术开发。
主要参与开发的企业
原理
Micro LED Display的显示原理，是将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化，其尺寸仅在1-10μm等级左右；后将Micro LED批量式转移至电路基板上，其基板可为硬性、软性之透明、不透明基板上；再利用物理沉积制程完成保护层与上电极，即可进行上基板的封装，完成一结构简单的MicroLED显示。
而要制成显示器，其晶片表面必须制作成如同LED显示器般之阵列结构，且每一个点划素必须可定址控制、单独驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体电路驱动则为主动定址驱动架构，MicroLED阵列晶片与CMOS间可透过封装技术。
黏贴完成后Micro LED能藉由整合微透镜阵列，提高亮度及对比度。Micro LED阵列经由垂直交错的正、负栅状电极连结每一颗Micro LED的正、负极，透过电极线的依序通电，透过扫描方式点亮Micro LED以显示影像。
Micro LED结构图
Micro LED典型结构是一PN接面二极管，由直接能隙半导体材料构成。当对Micro LED上下电极施加一正向偏压，致使电流通过时，电子、空穴对于主动区复合，发射出单一色光。MicroLED光谱主波长的FWHM约20nm，可提供极高的色饱和度，通常可>120%NTSC。
而且自2008年以后，LED光电转换效率得到了大幅提高，100lm/W以上已成量产标准。因此对于Micro LED显示的应用，因其自发光的显示特性，搭配几乎无光耗元件的简易结构，就可轻易实现低能耗或高亮度的显示器设计。
这样可解决目前显示器应用的两大问题，一是穿戴型装置、手机、平板等设备的80%以上的能耗在于显示器上，低能耗的显示器技术可提供更长的电池续航力；二是环境光较强致使显示器上的影像泛白、辨识度变差的问题，高亮度的显示技术可使其应用的范畴更加宽广。
制程种类及技术发展
对于半导体与芯片的制程微缩目前已到极限，而在制造上的微缩却还存在相当大的成长空间，对于Micro LED制程上，目前主要呈现分为三大种类：Chip bonding、Wafer bonding和Thin film transfer。
三大制程的各自优劣势及厂商
Chip bonding（芯片级焊接）
将LED直接进行切割成微米等级的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板)，利用SMT技术或COB技术，将微米等级的Micro LED chip一颗一颗键接于显示基板上。
Wafer bonding（外延级焊接）
在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP)，直接形成微米等级的MicroLED磊晶薄膜结构，此结构之固定间距即为显示划素所需的间距，再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱动电路基板上，最后使用物理或化学机制剥离基板，仅剩4~5μm的MicroLED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上形成显示划素。
Thin film transfer（薄膜转移）
使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED磊晶薄膜层，再利用感应耦合等离子离子蚀刻，形成微米等级的MicroLED磊晶薄膜结构；或者，先利用感应耦合等离子离子蚀刻，形成微米等级的MicroLED磊晶薄膜结构，再使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED磊晶薄膜结构。
最后，根据驱动电路基板上所需的显示划素点间距，利用具有选择性的转移治具，将Micro LED磊晶薄膜结构进行批量转移，键接于驱动电路基板上形成显示划素。
尽管Micro LED显示已经备受企业关注和加大研发，在规格上也较LCD具有多重好处，甚至划质上可与OLED相媲美，但是现阶段该显示器发展并未普及，主要困难点有三大方面。
第一，在于LED固晶上。以目前已成熟的LED灯条制程为例，在制作一LED灯条尚有坏点等失败问题发生，何况是一片显示器上要嵌入数百万颗微型LED。而LCD与OLED已采批次作业，良率表现相对较佳。
第二，在LED组件上。覆晶LED适合于MicroLED显示，因其体积小、易制作成微型化，不需金属导线、可缩减LED彼此间的间隙等，虽然FlipChip目前的良率还有一定问题，但是随着LED的技术的逐渐完善和资本的不断注入，已经在稳步提升。
第三，在规模化转移上。未来MicroLED显示困难处在于嵌入LED制程不易采大批量的作业方式，尤其是RGB的3色LED较单色难度更高。但是未来随着LED黏着、印刷等技术方法的提升，则有利于MicroLED显示导入量产化阶段。
Micro-LED display的彩色化是一个重要的研究方向。在当今追求彩色化以及其高分辨率高对比率的严峻趋势下，世界上各大公司与研究机构提出多种解决方式并在不断拓展中，本文将对主要的几种Micro-LED彩色化实现方法进行讨论，包括RGB三色LED法、UV/蓝光LED 发光介质法、光学透镜合成法。
一、RGB三色LED法
RGB-LED全彩显示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1RGB全彩色显示的单像素布局示意图
▲图2RGB全彩色显示驱动原理示意图
二、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UVmicro-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：US13/466,660,US14/098,103）。
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。
▲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 jettechnology)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
三、光学透镜合成法
透镜光学合成法是指通过光学棱镜（TrichroicPrism）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
Micro-LED是电流驱动型发光器件，其驱动方式一般只有两种模式：无源选址驱动（PM：Passive Matrix，又称无源寻址、被动寻址、无源驱动等等）与有源选址驱动（AM：ActiveMatrix，又称有源寻址、主动寻址、有源驱动等），此文还延伸有源驱动的另一种“半有源”驱动。这几种模式具有不同的驱动原理与应用特色，下面将通过电路图来具体介绍其原理。
什么是PM驱动模式？
无源选址驱动模式把阵列中每一列的LED像素的阳极（P-electrode）连接到列扫描线（Data Current Source），同时把每一行的LED像素的阴极（N-electrode）连接到行扫描线（ScanLine）。当某一特定的第Y列扫描线和第X行扫描线被选通的时候，其交叉点（X，Y）的LED像素即会被点亮。整个屏幕以这种方式进行高速逐点扫描即可实现显示划面，如图1所示。[1,2]。
这种扫描方式结构简单，较为容易实现。
但不足之处是连线复杂（需要X Y根连线），寄生电阻电容大导致效率低，像素发光时间短（1场/XY）从而导致有效亮度低，像素之间容易串扰，并且对扫描信号的频率需求较高。
另外一种优化的无源选址驱动方式是在列扫描部分加入锁存器，其作用是把某一时刻第X行所有像素的列扫描信号（Y1,Y2……Yn）提前存储在锁存器中。当第X行被选通后，上述的Y1-Yn信号同时加载到像素上[3]。这种驱动方式可以降低列驱动信号频率，增加显示划面的亮度和质量。但仍然无法克服无源选址驱动方式的天生缺陷：连线庞杂，易串扰，像素选通信号无法保存等。而有源选址驱动方式为上述困难提供了良好的解决方案。
什么是AM驱动模式？
在有源选址驱动电路中，每个Micro-LED像素有其对应的独立驱动电路，驱动电流由驱动晶体管提供。基本的有源矩阵驱动电路为双晶体管单电容（2T1C：2Transistor 1Capacitor）电路，如图2所示[4]。
图2 有源选址驱动方式
每个像素电路中使用至少两个晶体管来控制输出电流，T1为选通晶体管，用来控制像素电路的开或关。T2是驱动个晶体管，与电压源联通并在一场（Frame）的时间内为Micro-LED提供稳定的电流。该电路中还有一个存储电容C1来储存数据信号（Vdata）。当该像素单元的扫描信号脉冲结束后，存储电容仍能保持驱动晶体管T2栅极的电压，从而为Micro-LED像素源源不断的驱动电流，直到这个Frame结束。
2T1C驱动电路只是有源选址Micro-LED的一种基本像素电路结构，它结构较为简单并易于实现。但由于其本质是电压控制电流源（VCCS），而Micro-LED像素是电流型器件，所以在显示灰度的控制方面会带来一定的难度，这一点我们在后面的《Micro-LED的彩色化与灰阶》部分中会讨论。刘召军博士课题组曾提出一种4T2C的电流比例型Micro-LED像素电路，采用电流控制电流源（CCCS）的方式，在实现灰阶方面具有优势[5]。
什么是“半有源”选址驱动方式
另外需要提及的是一种“半有源”选址驱动方式[6]。这种驱动方式采用单晶体管作为Micro-LED像素的驱动电路（如图3所示），从而可以较好地避免像素之间的串扰现象。
三大驱动方式对比
与无源选址相比，有源选址方式有着明显的优势，更加适用于Micro-LED这种电流驱动型发光器件。现详细分析如下：
①有源选址的驱动能力更强，可实现更大面积的驱动。而无源选址的驱动能力受外部集成电路驱动性能的影响，驱动面积于分辨率受限制。
②有源选址有更好的亮度均匀性和对比度。在无源选址方式中，由于外部驱动集成电路驱动能力的有限，每个像素的亮度受这一列亮起像素的个数影响。一般来说，同一列的Micro-LED像素共享外部驱动集成电路的一个或多个输出引脚的驱动电流。
所以，当两列中亮起的像素个数不一样的时，施加到每个LED像素上的驱动电流将会不一样，不同列的亮度就会差别很大。这个问题将会更加严重地体现在大面积显示应用中，如LED电视与LED大屏幕等。同时随着行数和列数的增加，这个问题也会变得更严峻。
③有源选址可实现低功耗高效率。大面积显示应用需要比较大的像素密度，因此就必须尽可能减小电极尺寸，而驱动显示屏所需的电压也会极大的上升，大量的功率将损耗在行和列的扫描线上，从而导致效率低下。
④高独立可控性。无源选址中，较高的驱动电压也会带来第二个麻烦，即串扰，也就是说，在无源选址LED阵列中，驱动电流理论上只从选定的LED像素通过，但周围的其他像素将会被电流脉冲影响，最终也会降低显示质量。有源选址方式则通过由选通晶体管和驱动晶体管构成的像素电路很好的避免了这种现象。
⑤更高的分辨率。有源选址驱动的更适用于高PPI高分辨率的Micro-LED显示。
而第三种“半有源”驱动虽然可以较好地避免像素之间的串扰现象，但是由于其像素电路中没有存储电容，并且每一列的驱动电流信号需要单独调制，并不能完全达到上面列出的有源选址驱动方式的全部优势。
以蓝宝石衬底上外延生长的蓝光Micro-LED为例，像素和驱动晶体管T2的连接方式有图4所示的4种。但由于LED外延生长结构是p型氮化镓（GaN）在最表面而n型氮化镓在底层，如图5所示。
从制备工艺角度出发驱动晶体管的输出端与Micro-LED像素的p电极连接较为合理，即图4中的（a）和（c）。图4（a）中Micro-LED像素连接在N型驱动晶体管的源极（Source）。由外延生长（Epitaxial Growth）、制备工艺、及器件老化所产生的不均匀性所导致的Micro-LED电学特性的不均匀性将会直接影响驱动晶体管的VGS，从而造成显示图像的不均匀。
而图4（c）中的Micro-LED像素连接在P型驱动晶体管的漏极（Drain），可以避免上述影响，其电流-电压关系图6所示。因此，有P管像素电路驱动Micro-LED较为适宜。
图6 Micro-LED与驱动晶体管的电流-电压关系
参考文献：
[1].H.X.Jiang,etal.,Applied Physics Letters,78(9),p.1303-1305,2001.
[2].C.W.Keung and K.M.Lau,EMC2006(PA,USA).
[3].D.Peng,etal,IEEEJ.Display Technol.,Vol.12,Issue7,pp.742-746,2016.
[4].K.Zhang,etal,IEEET.Electron.Dev.,toappear.
[5].Z.J.Liu,etal,IEEEPhoton.Technol.Lett.,Vol.25,no.23,2013.
[6].K.Chilukuri,etal,Semiconductor Scienceand Technology,22(2),p.29,2007.
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