MicroLED 眼结构照明

由具有不同间距、尺寸和波长的 GaN microLED 阵列形成的光引擎，可用于多种应用

作者：JAN GÜLINK 和 HEIKO BRÜNING， 来自 Qubedot 和UNIVERSITY OF TECHNOLOGY BRAUNSCHWEIG

由于这种器件在普通照明领域中的广泛应用，基于 GaN 的 LED 的产量已达到惊人的数量。迄今为止，这个不断增长的全球市场已经吸引了大面积 LED，其典型尺寸为 1 mm²，光输出功率在瓦特范围内。

GaN LED 的发展道路与硅微电子技术截然不同。虽然该行业的基石是器件尺寸不断向原子级缩小，但对于用于普通照明的 LED，甚至没有努力将尺寸向微米级移动。

今天用于通用照明的 LED 可用于无数应用。它们众多用途的例子包括光学显示单元、控制面板和转速计的照明，以及大功率形式的照明，为汽车前照灯提供光源。所有这些应用的共同点是，LED 仅用于照亮目标物体——可能是前方的道路，或显示面板——而不是引起其特性的任何变化。

如果需要用光改变材料特性，则采用的光源往往是激光。红外激光器，尤其是光纤激光器，以其“可聚焦性”的高价值特性而闻名。使用不超过 100 瓦的光功率，此类激光器能够焊接和切割一系列金属材料或塑料。

为了优化激光加工，工程师调整光束轮廓。对于金属焊接，首选高斯强度分布，因为这可确保光束轴中心的强度尽可能高 - 这种条件导致涉及形成蒸汽毛细管效应的节能、可重复的焊接过程。相比之下，对于激光诱导粉末堆焊，采用均匀的强度分布要好得多，因为这样可以确保粉末的均匀熔化。由于光束整形的重要性，这两个例子强调了这一点，大型工业部门的很多工作都致力于为该任务提供满足客户要求的良好工具。但是试想一下，如果光束整形可以在这个过程中直接完成会简单得多。

在比较 LED 和激光器时，有一个被普遍接受以至于不再强调的本质区别：可扩展性。虽然在千赫和兆赫范围内驱动LED并平行调整其发射频率非常容易，但使用多个激光束要实现这一点要困难得多。因此，当谈到通过平行光源来加速光诱导过程时，LED 是一个令人信服的候选者。有人想知道，在几分之一毫秒内，通过将光束声学从礼帽轮廓更改为甜甜圈轮廓，可以解锁多少应用领域？

60 多年前——准确地说是 1959 年 12 月 29 日—— Richard Feynman在加州理工学院发表了一场广受赞誉的开创性演讲，题目为《向下有足够的空间》（There is plenty of room at the bottom）。在Feynman的演讲中，他描述了需要微型化的四种应用，包括微型化机器的构造。基于这样的思路，如果我们能制造出数量级甚至小于发射光波长的发射器，那可能会发生什么呢？

在 TU Braunschweig 的衍生公司 QubeDot GmbH，我们已经问过自己这些问题，并与著名的研究合作伙伴一起开发了一种平台技术作为解决方案。我们将我们的技术称为 SMILE - 它是结构化微照明光引擎的缩写。

  图 1. QubeDot 和欧盟项目 Chipscope 和 SMILE 已经为不同的应用开发了多功能 microLED 平台。论文中提供了更多信息：H. S. Wasito et al. Beyond Solid State Lighting: Miniaturization, Hybrid Integration and Applications of GaN µLEDs, Applied Physics Reviews 2019

 图 2. SMILE 平台由 microLED 芯片、电子器件、外壳和图形用户界面 (GUI) 组成。

创建这些可用于全新应用领域的光源需要三个基本步骤，另外还有一个具有很多附加值的第四个步骤。这些强制性步骤中的第一步是采用经过验证的 GaN 加工技术，以便也可以重复制造微米尺寸的 LED。在此之后，我们将大量 microLED 放置在单个 GaN 芯片上，以便我们可以通过一个光学器件对多个光束源进行成像，而无需在任何额外的定位上花费太多精力。通过这种配置，光源的相对定位精度为几纳米——无需任何机械定位工作即可实现！第三步是引入集成电路，使单独控制每个 microLED 成为可能。这使得GaN芯片上的所有microLED可以在时间和功率上独立控制。

这三个步骤，技术已经成熟了。然而，客户方面仍然需要付出巨大的努力才能将其用于目标应用程序。因此，我们通过简化可操作性来帮助他们。用模拟信号控制激光器的功率很容易，但如果有256个光源，所有光源都需要同时发出信号，那该怎么办？为了满足这一需求，我们编写了软件，允许用户立即生成照明图案。

我们完全集成平台的开发得到了不同项目的支持。第一个是 Chipscope，目标是制作尽可能小的像素尺寸。这导致 LED 的发射器边缘尺寸仅为 200 nm，发射波长为 450 nm。后续项目 SMILE 于 2020 年 12 月启动，旨在展示 microLED 阵列的可扩展性和一般可能性。人们致力于不同应用的光功率和调制。与我们在科学和工程领域取得的进步同时，我们这些来自 QubeDot 的人从一开始就专注于确保这项新技术将有助于工业界和科学界。

SMILE规格

当前的 SMILE 平台在普通 PCB 上形成为板上芯片 (COB)。有了这些选项，早期采用者就可以轻松地将 microLED 技术引入他们的产品和实验室。今天，我们提供两种不同版本的 SMILE 平台：8 x 8 像素和 16 x 16 像素。所有 SMILE 平台始终由 LED 芯片、电子器件、外壳和控制软件组成（见图 2）。

我们的软件使用户能够以非常方便的方式构建照明模式。有一个图形用户界面，提供校准阵列和设置电压的可能性。此外，该界面允许保存和加载序列和动画；并为不同的应用提供成像和测量窗口。通过应用程序编程接口，最终用户可以将 SMILE 平台的控制集成到脚本和应用程序中，例如 Matlab、LabView 和 Python。

 图 3. 100 MHz芯片级调制（左）和16×16 SMILE平台（右）的3.330 MHz帧速率，电注入为红色，光电二极管信号为蓝色。

在考虑调制速度能力时，区分芯片级和 SMILE 平台级很重要。在芯片级别，我们使用时间相关的单光子计数评估了调制率。该技术涉及向 microLED 像素施加短电脉冲，并使用灵敏探测器（如单光子雪崩二极管）测量其光输出和精确定时。基于这种方法，我们已经确定了大约 100 MHz 的 8 x 8 阵列中 20 μm 像素的调制频率，这对应于 10 纳秒数量级的脉冲长度。

在 SMILE 平台级别，调制受周围电子期间的影响，主要是其电容。对于 16 x 16 SMILE 平台，还存在与三个微控制器同步相关的进一步限制。然而，帧速率仍然比与多个激光源同步相关的帧速率快。例如，我们实现了每秒 3,333 帧的速率，帧速率与图像内容无关（参见图 3）。

在 QubeDot，我们最常被问到的问题之一是“您的输出功率是多少？”答案取决于像素的尺寸、发射波长和驱动电流。最先进的外延和芯片处理确保输出功率尽可能高。我们不会为了提高光提取效率而对芯片背面进行粗糙处理，因为尽管这会增加从芯片耦合的光，但像素之间的光学外观将不再清晰。这将是一个显著的缺点，因为这将导致粗糙芯片表面的发光图案模糊。

在这里，我们通过展示8×8平台的特性来说明我们的SMILE技术的能力，该平台具有75μm像素尺寸、150μm间距和450 nm发射波长。图 4 显示了该阵列的 64 个独立 LED 像素在一定电压范围内的单光输出功率。当控制单个像素时，平均输出功率在 3.3 V 时约为 384 μW，在 4.0 V 时约为 830 μW。更高的工作电压，光功率密度为 14.7 W/cm²。因此，如果所有 64 个像素都打开，这个 8 x 8 SMILE 平台将在 4.0 V 时发射 15.2 mW（在 3.3 V 时发射 6.7 mW）。

使用这个 8 x 8 SMILE 平台，用户可以在投影图像平面中精确控制和分配所需的光功率。这是因为发射 LED 的空间分布可以独立于它们各自的输出功率进行控制。请注意，用于控制光输出功率分布及其栅格密度的附加旋钮是 SMILE 平台的选择。

我们经常被问到的另一个问题是我们的像素可以做到多小。由于了解并掌握了用于制造 SMILE 平台的 GaN 技术，我们通常可以生产 5 ... 100 ... 500 μm 范围内的像素尺寸。低于 5 μm 的像素尺寸在实验室中可靠运行，并将很快推向市场。通常，初始客户测试总是使用 75 μm 的像素尺寸进行，因为此评估使我们能够确定应采用的像素尺寸。像素的形状不一定是方形——也有一些应用需要多条 microLED 线。可以想象，有无数种尺寸、间距、波长、照明模式、LED 输出功率控制和调制控制的组合，用于一千零一种不同的应用。

我们经常被问到的另一个问题是我们的像素可以做到多小

在考虑调制速度能力时，区分芯片级和 SMILE 平台级很重要

优化光遗传学

德国汉诺威莱布尼茨大学量子光学研究所的 Maria Leilani Torres 和 Alexander Heisterkamp 领导了一个使用我们 SMILE 平台的小组。在汉诺威 NIFE 的光遗传学实验室，他们的团队采用荧光成像，以高帧率捕获，使用钙敏感染料和 CMOS 相机来可视化细胞中的钙波动。钙染料与在 590 nm 处发射的橙色 LED 结合使用，以确保激发不会影响视紫红质通道的活性。使用 SMILE 平台，细胞培养受到不同照明模式的刺激。图5所示的一系列图像说明了九个微型LED如何触发一波电活动。

图 4. 75 µm 像素大小的 8 x 8 SMILE 平台，发射波长为 450 nm。不同偏置电压下的单个像素输出功率（左）和所有像素都打开时的总输出功率（右）的Violin图。使用 10 英寸积分球进行的测量。

通常，空间光调制器用于将用户定义的激发模式投射到细胞培养物上。在执行这项任务时，我们的 SMILE 技术提供了几个明显的优势。

显著的优点包括大大降低了系统的复杂性和安装时间，该系统可以直接集成到现有的笼式系统中 - 无需安排和配置额外的激光器。另一个优点是该软件易于使用，这部分要归功于每个用户都可以轻松访问的类似绘画的绘图模式。自定义照明模式仅导出并再次导入。除了这些优势之外，成本也会降低，并且可以将具有不同发射波长的多个 SMILE 平台集成到一个由主软件控制的光学设置中。

未来的机会

我们毫不怀疑，我们的 SMILE 技术将在各种应用中得到部署。它在光遗传学中的应用（这里强调）只是众多可能性中的一种。它的一大优势是它可以“开箱即用”直接使用——这对于基于激光的系统来说是不可能的。这里呈现的 SMILE 形式，被称为红星，并不适合所有用户。但鉴于我们对 microLED 的掌握以及我们在 SMILE 平台方面的专业知识，我们可以轻松地为客户量身定制这项技术。该解决方案现已上市，可以从小批量开始，这对早期采用者来说是一个不寻常但受欢迎的方面。

^. 根据第 952135 号赠款协议，SMILE 项目已获得欧盟地平线 2020 研究和创新计划的资助。更多信息可通过 qubedot.com 和 smile-technology.eu 找到

 图 5. 右下角的九个 microLED 会触发从右下角到左上角的电活动波。箭头表示钙的流动，由荧光钙敏感染料可视化。

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