周律，鄭華*，張聲浩，李華丹，張耿，張紹強，許偉，許恒榮，肖俊林，寧洪龍

（1.東莞理工學(xué)院 電子工程與智能化學(xué)院，廣東 東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，廣東 東莞 523808；3.華南師范大學(xué) 信息光電子科技學(xué)院，廣東 廣州 510631；4.華南理工大學(xué) 發(fā)光材料與器件國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；5.廣州彩屏顯示技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510700）

1 引言

隨著新一輪科技革命的發(fā)展，液晶顯示（Liquid Crystal Display，LCD）、有機發(fā)光二機管（Organic Light Emitting Display，OLED）顯示技術(shù)方興未艾，新興微米發(fā)光二極管（Micro-LED）顯示技術(shù)也嶄露頭角，顯示行業(yè)呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展的趨勢［1-9］。傳統(tǒng)LCD成本低，壽命長，但它的對比度和靈活性有限；有機發(fā)光二極管（OLED）顯示器可用作柔性顯示，擁有較好的暗狀態(tài)，但存在老化和壽命短的問題［10］。Micro-LED顯示有亮度高、壽命長、色域廣、穩(wěn)定性好等突出特點，可以滿足高端顯示的個性化需求，如5G超高清顯示、AR眼鏡、醫(yī)療顯示和車載顯示等新應(yīng)用［11-12］。近年來，全球已有大量的研究機構(gòu)、企業(yè)對Micro-LED顯示技術(shù)進行深入研究，并采用不同的工藝技術(shù)，成功研發(fā)了各種高性能的Micro-LED顯示器樣機或產(chǎn)品［13-15］。

Micro-LED顯示技術(shù)是指利用Micro-LED芯片實現(xiàn)全彩顯示的新型顯示技術(shù)，其涵蓋了芯片制備、驅(qū)動基板制備、巨量轉(zhuǎn)移與鍵合、全彩化等技術(shù)［16］。Micro-LED是一種自發(fā)光元件，一般由紅（R）綠（G）藍（B）三種發(fā)光顏色的微米尺寸LED芯片構(gòu)成一個單獨的像素。從表面上看，Micro-LED與LED相比僅僅是尺寸方面發(fā)生改變，但實際上，是將LED微小化、薄膜化和矩陣化來獲取Micro-LED，由毫米量級轉(zhuǎn)為微米量級。Micro-LED尺寸的改變，對其相關(guān)的材料生長、器件制備、驅(qū)動技術(shù)、生產(chǎn)工藝等過程均產(chǎn)生影響，和應(yīng)用于照明的LED有本質(zhì)的區(qū)別［17］。

早在20世紀90年代，就已出現(xiàn)了RGB三種發(fā)光顏色的LED芯片，將其構(gòu)成像素單元制備LED顯示屏，該顯示屏像素封裝尺寸較大，像素間距為20 mm（P20）［18］。隨著顯示技術(shù)的快速發(fā)展，LED芯片不斷微型化，封裝技術(shù)得到改進，目前市場上常見的LED顯示屏像素間距約為3 mm（P3），還出現(xiàn)了次毫米發(fā)光二極管（Mini-LED）和微米發(fā)光二極管（Micro-LED）［19］。Mini-LED和Micro-LED芯片尺寸都小于1 mm，從尺寸上區(qū)分Mini-LED和Micro-LED還沒有公認的標準，有些學(xué)者認為二者尺寸應(yīng)以100 μm為分界線，芯片尺寸在100～200 μm之間的稱之為Mini-LED，而當LED芯片尺寸微縮到100 μm以下時稱之為Micro-LED［20-21］；也有學(xué)者認為二者應(yīng)以50 μm為分界線［22］。Mini-LED和Micro-LED顯示屏有不同的應(yīng)用場景，Mini-LED一般作為LCD的背光源出現(xiàn)，再結(jié)合量子點技術(shù)，來實現(xiàn)高動態(tài)范圍顯示，而Micro-LED直接用于制作顯示像素［23］。

本文將介紹Micro-LED顯示技術(shù)的發(fā)展歷程、Micro-LED陣列的制備、倒裝芯片集成技術(shù)以及顯示驅(qū)動技術(shù)。在顯示驅(qū)動技術(shù)中重點介紹了有源驅(qū)動（Active Matrix，AM）部分，描述了互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）驅(qū)動、薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）驅(qū)動兩種主流的驅(qū)動原理，并詳細解析了3個像素驅(qū)動電路實例。在CMOS驅(qū)動部分，介紹了CMOS驅(qū)動的原理和CMOS驅(qū)動RGB Micro-LED的方法。在TFT驅(qū)動部分中，對在玻璃基板上生長的低溫多晶硅（Low Temperature Polycrystalline Silicon，LTPS）TFT、銦鎵鋅氧化物（Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO）TFT和低溫多晶硅氧化物（Low Temperature Polycrystalline Oxide，LTPO）TFT進行了 分析。對最基本的雙晶體管單電容（2 Transistor 1 Capacitor，2T1C）有源驅(qū)動結(jié)構(gòu)的工作原理進行了介紹，并拓展介紹了3T1C和4T2C像素電路結(jié)構(gòu)。

2 Micro-LED顯示技術(shù)的發(fā)展歷程

2000年美國堪薩斯州立大學(xué)江紅星等人，制備了基于Ⅲ族氮化物的Micro-LED［24］，并在2001年采用無源驅(qū)動（Passive Matrix，PM）的方式成功制備了10×10的 藍 光Micro-LED陣 列［25］。2004年，斯特拉斯克萊德大學(xué)Choi等人利用光刻技術(shù)制作了一種藍光128×96有源驅(qū)動Micro-LED顯示陣列，該顯示器的單個像素單元的尺寸為20 μm［26］。2007年，Dawson等 人 制 備了64×64的無源 驅(qū) 動Micro-LED矩陣，通過在每個n型氮化鎵區(qū)域連接一根額外的金屬線，以改善陣列的發(fā)光均勻性［27］。2006年Rogers等人研發(fā)了彈性印章轉(zhuǎn)移技術(shù)，這一技術(shù)的出現(xiàn)提高了Micro-LED陣列巨量轉(zhuǎn)移的可行性［28］，并在2009年采用彈性印章轉(zhuǎn)移打印技術(shù)制造了紅光Micro-LED陣列，使用專門的外延半導(dǎo)體層，可以制作大量超薄器件［29］。2009年，香港科技大學(xué)劉召軍等人采用倒裝芯片技術(shù)制備基于氮化鎵（GaN）的有源Micro-LED陣列并可以單獨控制LED像素［30］。2011年，美國德克薩斯理工大學(xué)Day等人通過倒裝焊技術(shù)將Si-CMOS驅(qū)動背板和綠光Micro-LED陣列進行集成，制備了160×120的綠光Micro-LED陣列，像素單元尺寸大小為12 μm［31］。2012年，索尼公司發(fā)布了一款1397 mm（55 in）的高清Micro-LED電視面板，將Micro-LED作為商業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)在公眾的視野，推動了Micro-LED大規(guī)模商業(yè)化的進程。Ostendo、X-Celeprint、PlayNitride等顯示公司也陸續(xù)成立，美國蘋果公司在2014年收購Lux-Vue后，Micro-LED顯示技術(shù)步入快速發(fā)展階段。

2015年，美國Lumiode公司和哥倫比亞大學(xué)合作完成了在一個晶片上集成Micro-LED陣列與硅晶體管薄膜驅(qū)動電路的工作，展示了一種使用TFT有源驅(qū)動Micro-LED矩陣［32］。2015年香港科技大學(xué)郭海成等人采用氣溶膠噴射技術(shù)來實現(xiàn)Micro-LED全彩化顯示，將量子點噴涂在紫外光Micro-LED陣列上激發(fā)RGB三原色［33］，并在2017年采用光刻膠模具，克服了Micro-LED陣列在集成過程中顏色轉(zhuǎn)換材料的光串擾問題［34］。2017年，韓國機械與材料研究所Kim等人通過滾輪轉(zhuǎn)印技術(shù)將Micro-LED陣列和Si-TFT電路轉(zhuǎn)移到彈性基板上進行集成，實現(xiàn)柔性Micro-LED顯示［35］。同年法國Leti公司展示了原型寬視頻圖形陣列（WVGA）微型顯示器，其像素間距僅10 μm，該顯示器是基于單色（藍色或綠色）GaN基Micro-LED陣列并與CMOS驅(qū)動電路結(jié)合［6］。

2018年以后Micro-LED顯示進入爆發(fā)期。臺灣錼創(chuàng)公司展示了兩款全彩Micro-LED原型，一款是22.61 mm（0.89 in）64×64面板，分辨率為105 PPI（Pixels Per Inch，PPI），另一款是79.25 mm（3.12 in）256×256面板，分辨率為116 PPI［6］。臺灣友達光電公司展示了一款307.34 mm（12.1 in）分辨率為169 PPI的全彩1920×720的Micro-LED顯示屏［7］。2018年，臺灣錼創(chuàng)公司與天馬微電子公司合作開發(fā)了有源驅(qū)動LTPS TFT背板制備而成的透明Micro-LED顯示器，其分辨率為114 PPI、透明度為60%，Micro-LED透明顯示屏可用于新型顯示應(yīng)用領(lǐng)域。2018年，香港北大青鳥公司在晶片上使用標準半導(dǎo)體設(shè)備和工藝制造紅、綠、藍3種單色Micro-LED顯示面板，分辨率為5000 PPI［36］。2019年，法國Leti公司采用微管技術(shù)將CMOS驅(qū)動電路和RGB Micro-LED單元組進行集成，制備了像素單元尺寸大小為3 μm/5 μm的Micro-LED陣列［37］。

2020年，臺灣大學(xué)制備了14 μm的GaN基Micro-LED器件，集成了并聯(lián)式2×2、2×3、2×4和2×5陣列結(jié)構(gòu)，能夠進行統(tǒng)一驅(qū)動，相比于單獨復(fù)雜的驅(qū)動電路，該設(shè)計簡化了制備工藝和驅(qū)動電路設(shè)計步驟［38］。2021年，復(fù)旦大學(xué)田朋飛課題組研制了綠光80 μm×80 μm的GaN基Micro-LED陣列，可以實現(xiàn)雙面顯示和雙工水下無線光通信（Underwater Wireless Optical Communication，UWOC），器件擁有透明襯底和雙面發(fā)光的特點［39］。

3 Micro-LED陣列制備工藝

RGB三基色是基于不同材料制備而成，如InGaN/GaN基材料用于制備綠光/藍光Micro-LED陣列，AlInGaP/GaAs基材料用于制備紅光Micro-LED陣列。一般在藍寶石、砷化鎵和硅等襯底上生長外延層，制備Micro-LED陣列。以藍寶石襯底上制備GaN Micro-LED陣列為例，其制作過程包括5個步驟：臺面結(jié)構(gòu)（Mesa Structure，MS）、電流擴展層（Spreading Layer，SL）、p和n電極層（Electrode Layer，EL）、鈍化層（Passivation，PS）和接觸墊（Contact Pads，CP）。首先，采用金屬有機化學(xué)氣相沉積（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技術(shù)在藍寶石襯底上生長外延層，包括n-GaN層、MQW層和p-GaN層；接著蝕刻p-GaN層和MQW層以隔離像素，形成臺面結(jié)構(gòu)；然后在p-GaN層上蒸鍍電流擴展層；并在電流擴展層上沉積p電極層，在n-GaN層沉積n電極層，再沉積一層鈍化層；最后一步是構(gòu)建n型接觸墊和p型接觸墊。構(gòu)建好的接觸墊有利于后續(xù)芯片集成，將Micro-LED像素的n電極連接在一起，p電極連接到AM背板上驅(qū)動電路的各個輸出端［40］。具體的工藝流程如圖2（a）所示。

Choi等人在硅襯底上制備GaN Micro-LED顯示器，由Si TFT驅(qū)動Micro-LED像素單元來實現(xiàn)有源尋址［41］。他們在101.6 mm（4 in）硅片上利用MOCVD技術(shù)制備了一種藍光LED外延結(jié)構(gòu)，生長的LED的總厚度為1.7 μm，薄的外延層可以有效減少LED與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）在平面上的高度差。再對LED外延層進行光刻，暴露出硅表面，使用硫酸過氧化氫混合（Sulfuric Acid Hydrogen Peroxide Mixture，SPM）溶液進行清洗，去除可能導(dǎo)致MOSFET故障的金屬殘留物，然后在其上面制備驅(qū)動電路。將制備好的Micro-LED芯片通過沉積金屬線與驅(qū)動電路相連，成功制備了一個60×60的像素陣列，單個Micro-LED集成結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

隨著陣列制備技術(shù)的提升，Micro-LED尺寸的減小會帶來尺寸效應(yīng)、邊緣效應(yīng)以及低刻蝕損傷和鈍化修復(fù)技術(shù)等難題。尺寸越小，電感耦合等離子體（Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer，ICP）刻蝕區(qū)域（側(cè)壁）與有源區(qū)體積的比率會增加，刻蝕損傷所形成的缺陷占比越高。這些缺陷導(dǎo)致非輻射復(fù)合比例逐漸上升，增加了有源區(qū)內(nèi)肖克利·雷德·霍爾（SRH）非輻射復(fù)合幾率，降低了輻射復(fù)合幾率和發(fā)光效率，同時也會引入新的漏電通道加重器件反向漏電［42-43］，在小尺寸Micro-LED（＜10 μm）中這些現(xiàn)象更為顯著［44］。LED外延中p型層電導(dǎo)率相對較差，當尺寸減小至數(shù)十微米，這個能級彎曲變得更加嚴重，增加了空穴的注入難度，而且ICP刻蝕引起的側(cè)壁懸空鍵還進一步使得注入的電子和空穴的非輻射復(fù)合顯著增加，導(dǎo)致發(fā)光效率和使用壽命下降，如尺寸從400 μm減小至20 μm，其電流密度光效下降比例可達約50%［45］。

4 Micro-LED襯底剝離及鍵合技術(shù)

4.1 Micro-LED襯底剝離技術(shù)

Micro-LED陣列生長的外延層通常需要從原始襯底上剝離，并轉(zhuǎn)移鍵合到具有特定功能的驅(qū)動背板上實現(xiàn)顯示。去除Micro-LED襯底主要使用激光剝離技術(shù)和化學(xué)刻蝕技術(shù)［46］。激光剝離（Laser Lift-off，LLO）技術(shù)去除對紫外光透明的藍寶石襯底，是利用高能脈沖激光束透過藍寶石襯底照射到GaN薄膜上，使得GaN與藍寶石襯底交界面形成局部分解，GaN層大量吸收光子能量，分解成N2和Ga原子實現(xiàn)藍寶石剝離。在激光掃描整個樣品后，藍寶石襯底被徹底移除。LLO技術(shù)適用于不同吸收系數(shù)和晶格常數(shù)的材料之間，在界面處產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致藍寶石襯底與GaN薄膜脫離［47］?；瘜W(xué)刻蝕方法去除襯底操作步驟更為方便，通常采用化學(xué)刻蝕方法去除硅襯底，使用KOH溶液對硅襯底進行各向異性刻蝕，徹底的各向異性濕法刻蝕可以使Micro-LED器件層處于懸空狀態(tài)，通常采用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）印章［48］與器件層接觸產(chǎn)生一定的壓力，進行拾取，然后扯斷硅襯底與器件層之間的殘余連接點，將Micro-LED器件層從硅襯底中分離出來［49］。

4.2 Micro-LED與驅(qū)動基板的鍵合技術(shù)

將Micro-LED從原始襯底上剝離下來后，需要通過轉(zhuǎn)移技術(shù)將Micro-LED陣列與驅(qū)動基板進行鍵合。常用的兩種鍵合方式包括傳統(tǒng)的引線鍵合和改進的倒裝芯片鍵合［40］，如圖3所示。大像素顯示和無源矩陣驅(qū)動電路通常使用引線鍵合方式，如圖3（a）所示，Micro-LED器件的水平電極分別用金線連接到n、p觸點墊上來實現(xiàn)接觸。該方法易于實現(xiàn)，成本低，缺點是散熱能力差，受尺寸限制，不適合高分辨率顯示。在有源驅(qū)動顯示中Micro-LED陣列n電極共同連接到接地端，p電極獨立與驅(qū)動電路相連，采用倒裝芯片鍵合技術(shù)，每個Micro-LED像素與配套的CMOS驅(qū)動電路鍵合在一起。該CMOS控制單元能夠存儲數(shù)據(jù)并驅(qū)動每個單獨的Micro-LED像素，如圖3（b）所示。倒裝鍵合方式主要分為熱壓倒裝焊和回流倒裝焊兩種，包括使用熱壓焊技術(shù)的金倒裝鍵合/Cu-Sn無金倒裝鍵合和使用回流焊技術(shù)的銦倒裝鍵合、金屬微管倒插鍵合。

金倒裝鍵合方案已應(yīng)用于Micro-LED顯示技術(shù)中［50-51］。下面以在藍寶石襯底上制備藍光Micro-LED陣列為例介紹金倒裝鍵合方案。先利用MOCVD技術(shù)在襯底上依次制備n-GaN層、MQW層和p-GaN層，通過ICP技術(shù)刻蝕成臺面陣列，在整個陣列露出n-GaN區(qū)域；然后利用電子蒸發(fā)器沉積由Cr/Al/Ti/Au（70/1700/50/200 nm）組成的金屬層作為n型電極，使用等離子體增強化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）技術(shù)沉積SiO2作為鈍化層；接著刻蝕臺面陣列上的SiO2層露出p-GaN層，在p-GaN上蒸鍍出Ni/Ag/Pt/Au（1/200/50/300 nm）金屬層作為p型電極；最后使用金凸點來提供Micro-LED和CMOS兩個芯片之間的電氣互連，獲得高質(zhì)量的倒裝鍵合芯片［52］，其倒裝結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。由于金材料更容易黏附到CMOS器件上，通常將金絲接觸到CMOS芯片上，在鍵合處進行熱壓和超聲來熔化金絲，使其形成金凸點附著在CMOS芯片上，將CMOS芯片的金面朝上并平放在加熱的真空吸板上，再使用真空頭吸附Micro-LED陣列器件襯底，通過顯微鏡使得Micro-LED器件的電極和CMOS陣列的金凸點精確對準，將兩個芯片壓在一起，再應(yīng)用超聲波熔化兩個陣列之間的金凸點完成鍵合［53］。

但由于使用厚Au層的成本過高，Cu-Sn無金倒裝鍵合成為了一種可以選擇的方案。2019年，香港科技大學(xué)展示了通過Cu-Sn無金倒裝鍵合方案，在GaN-on-Si外延層上制備了有源Micro-LED顯示器［54］，如圖4（b）所示。Micro-LED陣列由64×36像素組成，頂部電鍍5 μm厚的30 μm×30 μm的Cu方塊凸起，然后電鍍5 μm厚的直徑為20 μm的Sn圓塊和4 μm厚的直徑為20 μm的Cu圓塊凸起。該Micro-LED器件尺寸為1.60 mm×2.72 mm，像素單元尺寸為40 μm×40 μm，分辨率為635 PPI。

將Micro-LED陣列通過銦凸點倒裝鍵合Si CMOS驅(qū)動芯片上的過程如圖4（c）所示。在藍寶石襯底上生長藍光LED外延層，濺射沉積70 nm厚的氧化銦錫（Indium Tin Oxide，ITO）作為p-GaN的電流擴展層，可以與p-GaN形成歐姆接觸，使用ICP技術(shù)刻蝕成臺面陣列，在露出的n-GaN區(qū)域沉積Ti/Al層作為公共陰極，然后沉積二氧化硅作為鈍化層，再在n-GaN區(qū)域沉積Ti/Al層作為陽極。在每個金屬電極的頂部制備銦凸點時，首先利用光刻形成凸點下金屬（Under Bump Metal，UBM）預(yù)留孔，然后依次沉積UBM，光刻銦柱孔，熱蒸發(fā)沉積銦，剝離后形成盤狀銦，在回流爐中退火后，使所有的圓盤狀銦回流成為銦球凸點，銦經(jīng)過回流處理后，用倒裝鍵合機將Micro-LED陣列與CMOS驅(qū)動背板鍵合［55］。2013年香港科技大學(xué)制備了不同直徑銦球凸點，經(jīng)回流處理后，其中最小的一個的銦球直徑為5 μm，通過銦倒裝鍵合方式進一步提高了有源驅(qū)動Micro-LED顯示的分辨率［56］。

圖4 熱壓焊/回流焊倒裝鍵合示意圖。（a）金倒裝鍵合截面圖［52］；（b）Cu-Sn無金倒裝鍵合顯微鏡圖［54］；（c）銦倒裝鍵合截面圖［55］。Fig.4 Schematic diagram of thermal pressure soldering/reflow soldering flip-chip.（a）Section drawing of gold flip bonding［52］；（b）Cu-Sn gold-free inverted bonding microscope［54］；（c）Section drawing of indium flip bonding［55］.

為了使顯示器獲得更高的分辨率，法國Leti公司開發(fā)了一種微管金屬鍵合技術(shù)，可以使像素間距縮小到10 μm以下［57］。該技術(shù)是將金屬尖端插入由2000×2000多凸點組成的焊盤中形成互連，實現(xiàn)了小于10 μm超細間距，其特點是無焊劑、低壓，并且再在低溫條件下即可完成Micro-LED陣 列 與Si CMOS驅(qū) 動 器 件 的 集 成［58］。具體過程為：先在Micro-LED電極上制備400萬個10 μm間距的盤狀銦，接著在180℃下回流成銦球形成凸點，然后在Si CMOS驅(qū)動芯片上生長金屬微管。金屬微管的制備步驟如圖5（a～c）所示，首先在Si CMOS驅(qū)動芯片的接觸墊上旋涂一層樹脂材料聚合物層，在聚合物層光刻出一個空心的圓柱體，暴露出接觸電極；然后在整個器件表面濺射沉積總厚度為300 nm的金屬層；接著在空心圓柱體內(nèi)填充特定的保護材料，防止圓柱體底面和側(cè)面的金屬被刻蝕；最后使用反應(yīng)離子刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE）去除器件表面未被保護的金屬層，并通過等離子體去除圓柱體金屬微管周邊的多余聚合物，完成金屬微管的制備過程。通過光刻工藝可以刻蝕出直徑小于10 μm的空心圓柱體金屬微管，金屬沉積相關(guān)參數(shù)確定微管的厚度。在Si CMOS與Micro-LED陣列經(jīng)過精細對準后，將Si CMOS金屬微管陣列在低溫和低壓下插入到Micro-LED陣列電極上［53］。微管鍵合過程如圖5（d）所示。

圖5 金屬微管制備及鍵合過程示意圖。（a）、（b）、（c）為金屬微管制備流程圖；（d）金屬微管鍵合過程［58］。Fig.5 Schematic diagram of metal microtube preparation and bonding process.（a），（b），（c）Preparation of metal microtubules；（d）Metal microtubule bonding process［58］.

5 Micro-LED驅(qū)動技術(shù)

Micro-LED顯示技術(shù)有無源驅(qū)動（PM）和有源驅(qū)動（AM）兩種驅(qū)動方式［59］。驅(qū)動方式不同，Micro-LED像素單元驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)也不同。由于無源驅(qū)動采用掃描的方式，每一個時刻內(nèi)僅有一行像素在發(fā)光，占空比非常小，因此不適合大尺寸顯示。而采用有源驅(qū)動方式時各像素獨立可控，是如今研究的主要方向。

5.1 無源驅(qū)動技術(shù)

無源驅(qū)動方式將每一列像素的陽極（P-electrode）連接到列數(shù)據(jù)，每一行像素的陰極（N-electrode）連接到行掃描線。某特定的行和列有電流信號通過時，在行列交叉處的像素單元將會被點亮。逐行地對每個像素施加不同的電壓，每個像素能夠?qū)崿F(xiàn)不同的亮度顯示，以點陣的方式動態(tài)顯示圖像。采用Micro-LED無源驅(qū)動技術(shù)會導(dǎo)致電流密度過高，線間存在串擾，矩陣上不同布線長度的阻抗存在偏差等問題，Micro-LED顯示器的分辨率、亮度、可靠性和畫面質(zhì)量均受到限制［13］。Micro-LED無源驅(qū)動的等效電路圖如圖6所示。

圖6 無源驅(qū)動等效電路圖Fig.6 Equivalent circuit diagram of passive drive

2014年，劉召軍等人制備了一個4.826 mm（0.19 in）的1700 PPI藍光無源矩陣Micro-LED顯示器，顯示區(qū)域的大小為3.8 mm×2.9 mm，由256×192像素組成［60］。該顯示器使用無源驅(qū)動技術(shù)，不需要制備CMOS/TFT驅(qū)動，但需要對GaN晶片刻蝕至藍寶石襯底，使LED像素單元之間的n、p電極保持各自獨立，形成單個Micro-LED像素。其制備過程如圖7所示。首先，在硅襯底上生長一層GaN外延層，在無源驅(qū)動Micro-LED陣列中，同一列LED像素共用一個n電極，需要通過ICP技術(shù)將GaN刻蝕至藍寶石襯底處構(gòu)建隔離溝，將n型氮化鎵層完全隔離斷開；然后，在像素頂部的特定區(qū)域沉積ITO，形成p型電極連接點；接著快速熱退火獲得導(dǎo)電特性，并在n型氮化鎵層上建立了長條狀的n型電極；再在整個外晶片上涂上透明的聚酰亞胺進行鈍化和分離；最后打開接觸孔，露出p型電極接觸點，為p型電極后面連線做準備。

圖7 無源矩陣制備流程圖。（a）形成隔離溝；（b）像素的圖案化和蒸鍍p型歐姆接觸點；（c）沉積條紋狀n型電極；（d）涂布透明聚酰亞胺；（e）沉積條紋狀p型電極［60］。Fig.7 Fabrication process of passive matrix.（a）Formation of isolation trenches；（b）Pixel patterning and evaporation of p-type electrodes form ohmic contact；（c）N-electrode stripes definition；（d）Patterning of transparent polyimide；（e）P-electrode stripes definition［60］.

5.2 有源驅(qū)動技術(shù)

5.2.1 CMOS驅(qū)動

CMOS驅(qū)動的有源矩陣Micro-LED微顯示器，其中每一個像素都對應(yīng)一個CMOS驅(qū)動電路，能夠存儲數(shù)據(jù)并驅(qū)動對應(yīng)的Micro-LED像素單元。CMOS驅(qū)動背板的結(jié)構(gòu)包括像素驅(qū)動器、掃描驅(qū)動器、數(shù)據(jù)驅(qū)動器和混合電壓調(diào)節(jié)器。將制備好的Micro-LED陣列倒裝連接到CMOS驅(qū)動背板上，如圖8（a）所示。其中，像素驅(qū)動電路工作原理圖如圖8（b）所示，由M1、M2、M3三個晶體管和一個電容器Cs組成，M1是行掃描開關(guān)晶體管，M2用作控制電流源開關(guān)晶體管，M3是行全局使能開關(guān)晶體管，Cs用作數(shù)據(jù)存儲器。當行掃描信號Rs變?yōu)?，行使能信號Ren變?yōu)?時，會使得M1晶體管導(dǎo)通，列數(shù)據(jù)Cdata寫入存儲電容器Cs，開始行掃描過程。將通過Cs上的電壓施加到M2的柵極和源極上，從而可以控制μLED的電流。像素中的列數(shù)據(jù)Cdata按照特定順序存儲在該行的Cs中后，Rs變?yōu)?，行掃描過程自動移動到下一行，當所有子像素存儲數(shù)據(jù)Cdata加載完成時，Ren全局使能信號開啟，輸出顯示畫面［61］。

圖8 CMOS驅(qū)動。（a）Micro-LED陣列和有源矩陣CMOS背板的倒裝焊；（b）像素驅(qū)動電路原理圖［61］。Fig.8 CMOS driver.（a）Flip chip bonding of Micro-LED arrays and active matrix CMOS backplane；（b）Schematic diagram of pixel drive circuit［61］.

采用CMOS電路驅(qū)動Micro-LED像素或者驅(qū)動Micro-LED像素組的傳統(tǒng)方法，是將晶片切割成紅色、綠色和藍色的Micro-LED，然后逐個轉(zhuǎn)移至接收襯底上。使用的接收襯底不再是1個TFT的背板，而是一個由行和列導(dǎo)電線路組成更加簡單和便宜的襯底。Micro-LED則由CMOS電路驅(qū)動，但是如果采用這種方法制造Micro-LED顯示器，RGB Micro-LED和驅(qū)動電路需要單獨進行轉(zhuǎn)移，至少需要進行4次轉(zhuǎn)移，無疑使得轉(zhuǎn)移過程更加難以進行，并且還需要進一步處理使CMOS驅(qū)動電路與Micro-LED建立連接。法國Leti公司進行了改進，首先制備CMOS驅(qū)動電路晶片，并將CMOS驅(qū)動晶片和藍光Micro-LED外延片進行鍵合，通過芯片制備技術(shù)在外延片上制作藍光Micro-LED陣列，再將藍光Micro-LED進行色彩轉(zhuǎn)換，獲得RGB Micro-LED單元組，通過微管倒裝鍵合方式將單元組和CMOS驅(qū)動電路單元進行集成，制造了1個由CMOS驅(qū)動電路和RGB Micro-LED組成的微型集成器件，并將整個器件轉(zhuǎn)移到由行和列導(dǎo)電線路組成的接收襯板上，不再需要將單個像素依次轉(zhuǎn)移到接收襯底上，提升了產(chǎn)品良率［37］。這種方法結(jié)合了CMOS驅(qū)動和簡單傳輸過程，制備出像素單元尺寸為3 μm/5 μm的Micro-LED顯 示 器。制 備 過 程 如圖9所示。

圖9 CMOS驅(qū)動RGB Micro-LED顯示［37］Fig.9 CMOS drive RGB Micro-LED display［37］

5.2.2 TFT驅(qū)動技術(shù)及應(yīng)用

TFT驅(qū)動Micro-LED顯示陣列與傳統(tǒng)TFTOLED技術(shù)類似，采用鍵合技術(shù)將Micro-LED陣列轉(zhuǎn)移到TFT驅(qū)動的背板上，在玻璃基板上生長TFT，以非晶硅（a-Si）TFT、低溫多晶硅（LTPS）TFT以及氧化物TFT三類為主要代表。a-Si TFT載流子遷移率較低，不適合制備高分辨率顯示器，難以實現(xiàn)高質(zhì)量顯示。目前由LTPS TFT驅(qū)動Micro-LED器件性能較好，是因為LTPS TFT具有載流子遷移率高、高度集成化、響應(yīng)速度快和低功耗等優(yōu)點。LTPS TFT可以跟驅(qū)動電路制程整合，二者具有很好的相容性，但與氧化物TFT相比，LTPS TFT成本很高。以銦鎵鋅氧化物（IGZO）TFT為主的氧化物TFT具有漏電流較低、響應(yīng)速度快、制備成本較低等優(yōu)點，有較大的產(chǎn)業(yè)前景。

韓國慶熙大學(xué)Jin等人提出LTPO驅(qū)動技術(shù)由p型LTPS TFT和n型IGZO TFT組 合 在1個像素電路中。該像素驅(qū)動電路擁有較小的驅(qū)動電流和較低的漏電流，降低了生產(chǎn)成本，降低了LTPS TFT自熱效應(yīng)的影響，獲得高分辨率和刷新穩(wěn)定性更好的顯示設(shè)備［62］。

（1）LTPS TFT驅(qū)動

Jin等人在低溫多晶硅（LTPS）TFT背板上展示了32×32像素的有源驅(qū)動Micro-LED顯示器，有效面積為4 mm2，像素間距為10 μm，顯示了良好的均勻性，亮度超過40000 cd/m2，EL發(fā)射峰值波長為455 nm，半峰寬（FWHM）為15 nm［63］。LTPS TFT背板制備工藝如下：先在玻璃基板上濺射沉積400 nm厚的SiO2作為緩沖層，隨后通過藍色激光退火（Blue Laser Annealing，BLA），橫向生長90 nm LTPS的活性層，采用PECVD技術(shù)沉積100 nm厚的SiO2柵極絕緣層和200 nm厚的柵電極，沉積650 nm SiO2-SiNx鈍化層，光刻出通孔，沉積Mo金屬層用作源電極和漏電極，再沉積SiO2鈍化層，光刻出連接孔，最后使用400 nm厚的Mo-Au層作為接觸金屬層與Micro-LED電極進行鍵合。Micro-LED的p型電極可獨立控制，共 用n型 電 極，Micro-LED陣 列 的p電 極 與TFT連 接，n型電極 連接到探 測點上。圖10（a）為TFT驅(qū)動Micro-LED陣列的示意圖，圖10（b）為LTPS TFT背板上使用金倒裝鍵合技術(shù)集成Micro-LED陣列器件橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 Micro-LED發(fā)展歷程Fig.1 Development history of Micro-LED

2019年，日本京瓷公司開發(fā)了一個45.72 mm（1.8 in）LTPS TFT驅(qū)動的200 PPI全彩有源Micro-LED顯示器，幀率為240 Hz，分辨率為256×256，亮度為2000 cd/m2［64］。該顯示器通過柔性電路板焊盤（FPC PAD）的過孔，將外部輸入的視頻信號經(jīng)過驅(qū)動IC轉(zhuǎn)換為每個Micro-LED芯片的控制信號，玻璃基板上LTPS TFT驅(qū)動電路給顯示器提供240 Hz的幀速率和2000 cd/m2的亮度，可以實現(xiàn)動態(tài)圖像顯示。同年，臺灣友達光電公司采用LTPS TFT驅(qū)動了307.34 mm（12.1 in）169 PPI全彩色Micro-LED顯示屏，研究人員對外延層的制備工藝進行優(yōu)化，將Micro-LED進行了精準封裝，使顯示屏可以實現(xiàn)大于1000000∶1的對比度和700 cd/m2的亮度［65］。

（2）IGZO TFT驅(qū)動

Jin等人也采用銦鎵鋅氧化物（IGZO）TFT背板和Micro-LED芯片倒裝鍵合，在藍寶石襯底上制備像素大小為240 μm×80 μm的Micro-LED陣列。在玻璃上制備IGZO TFT背板，將Micro-LED轉(zhuǎn)移到IGZO TFT背板上并對齊，使Micro-LED和TFT背板實現(xiàn)了互連，制備了1個有源矩陣Micro-LED顯示屏［66］。在這個過程中LED電極與焊盤需要精確對齊，實現(xiàn)電氣互連。如果存在錯位，會導(dǎo)致接觸電阻增加，引起亮度不均勻，甚至會存在像素不能正常工作的情況。

Jin等人發(fā)現(xiàn)非晶銦鎵鋅氧化物（a-IGZO）TFT技術(shù)可以用來驅(qū)動大屏幕的Micro-LED顯示器，成功制備了由a-IGZO TFT驅(qū)動和Micro-LED芯片集成的50.8 mm（2 in）58 PPI的全彩Micro-LED顯示器［67］。該顯示器采用PECVD技術(shù)在玻璃表面沉積SiO2作為緩沖層，濺射沉積Mo層作為底柵電極，在真空環(huán)境下沉積SiNx/SiO2絕緣層和濺射沉積a-IGZO活性層，確保TFT性能穩(wěn)定。再一次沉積Mo層作為源/漏電極并沉積一層SiO2作為絕緣層，使用PECVD技術(shù)沉積頂柵Mo層，并光刻出頂柵電極，最后沉積一層SiO2鈍化層，完成雙柵a-IGZO TFT器件制備，使a-IGZO TFT器件與Micro-LED芯片對準并互連金屬電極。其原理示意圖如圖10（c）所示。應(yīng)用氧化物TFT驅(qū)動Micro-LED的顯示器件不僅可以制作大尺寸電視，也可以用于各種新的應(yīng)用領(lǐng)域，如智能汽車前照燈，AR/VR和可穿戴設(shè)備等微顯示器。

圖10 有源TFT驅(qū)動Micro-LED陣列示意圖。（a）Micro-LED和TFT驅(qū)動背板集成［63］；（b）Micro-LED陣列和LTPS TFT驅(qū)動剖面結(jié)構(gòu)圖［63］；（c）雙柵a-IGZO TFT驅(qū)動Micro-LED顯示截面圖［67］；（d）LTPO TFT驅(qū)動結(jié)構(gòu)截面圖和電路原理圖［62］。Fig.10 Schematic diagram of active TFT driving Micro-LED array.（a）Micro-LED and TFT drive backplane integration［63］；（b）Micro-LED array and LTPS TFT driver cross-sectional structure diagram［63］；（c）Cross-sectional view of dual-gate a-IGZOTFT driver Micro-LED display［67］；（d）LTPO TFT drive structure cross-sectional view and circuit schematic［62］.

（3）LTPO TFT驅(qū)動

Micro-LED尺寸小，能夠承載高電流密度，但是當Micro-LED像素持續(xù)在高電流密度下工作時，會導(dǎo)致較高的熱效應(yīng)，積累的熱量可能會損壞Micro-LED器件。而在驅(qū)動電路中混合使用具有高遷移率和低漏電流的LTPS TFT和氧化物TFT的低溫多晶硅氧化物（LTPO）TFT驅(qū)動技術(shù)，能夠較好地散熱，提高了電路整體性能。LTPO驅(qū)動技術(shù)可以實時監(jiān)測像素內(nèi)溫度，為制備大型有源Micro-LED顯示器提供了另一種可選方案［62］。

LTPO TFT結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的像素驅(qū)動電路如圖10（d）所示，LTPO TFT驅(qū)動結(jié)構(gòu)的整個制備流程在真空條件下進行，可劃分為6個過程：①在玻璃襯底上，通過PECVD技術(shù)沉積厚度為100 nm非晶硅薄膜層，在450℃下完成a-Si∶H的脫氫反應(yīng)，然后充入N2低溫退火2 h，接著對a-Si進行藍色激光退火以結(jié)晶LTPS；②沉積SiO2作為p型TFT和和n型TFT的絕緣層（Gate Insulator，GI），然后沉積Mo層作為p型和n型TFT的柵電極，光刻出柵極和GI層，采用等離子體對LTPS的源區(qū)和漏區(qū)進行p摻雜；③在整個器件表面沉積50 nm厚的SiO2絕緣層，然后在450℃下進行2 h的退火處理，通過PECVD沉積一層SiNx（100 nm）和一層SiO2（100 nm）覆蓋在器件表面，用來將p型TFT和n型TFT的柵極進行電氣隔離，接著沉積40 nm厚的n型a-IGZO層，對a-IGZO蝕刻劑進行圖案化；④再次光刻形成源/漏通孔；⑤通過濺射沉積200 nm厚的Mo金屬層并將其圖案化作為p型和n型TFT的源極和漏極；⑥沉積150 nm厚的SiO2和100 nm厚的SiNx作為鈍化層，并光刻出通孔，將LTPO在250℃退火4 h，獲得LTPO器件［68-69］。

5.2.3 像素驅(qū)動電路

（1）2T1C驅(qū)動電路

在有源驅(qū)動電路中，每一個Micro-LED像素都有各自獨立的驅(qū)動電路，雙晶體管單電容2T1C電路［70］是最基本的有源矩陣驅(qū)動電路。單個2T1C像素電路使用2個TFT晶體管和1個電容，其中T1為開關(guān)晶體管，用來控制像素電路的開啟或關(guān)閉，T2是驅(qū)動晶體管，與電壓源VDD相連，在一幀內(nèi)為Micro-LED提供穩(wěn)定的驅(qū)動電流，依靠存儲電容Cs來儲存Vdata數(shù)據(jù)信號。當Vdata被掃描信號選中，T1晶體管接通，數(shù)據(jù)電壓Vdata存儲在電容Cs中，T2源極（S）至漏極（D）的電流受Cs控制，Cs兩端的電壓大于T2的閥值電壓之后，T2進入工作狀態(tài)驅(qū)動Micro-LED器件點亮。當掃描信號關(guān)閉時，T1晶體管關(guān)閉，儲存在電容Cs內(nèi)的電壓提供給T2的柵極（G），能夠繼續(xù)維持T2晶體管輸出穩(wěn)定的電流，驅(qū)動Micro-LED保持點亮狀態(tài)，其中Cs的電荷存儲量越大，可以維持越長的點亮時間。有源驅(qū)動方式克服了像素在掃描時存在的串擾問題，讓像素單元有更長的點亮時間，使Micro-LED顯示器擁有更高的顯示亮度［71］。圖11（a）為雙晶體管單電容器（2T1C）有源矩陣像素電路，有源面板上驅(qū)動電路的配置如圖11（b）所示。

圖11 （a）2T1C有源矩陣像素電路圖［72］；（b）2T1C驅(qū)動電路面板配置圖［73］。Fig.11（a）2T1C active matrix pixel circuit diagram［72］；（b）2T1C drive circuit panel configuration diagram［73］.

（2）3T1C驅(qū)動電路

基于2T1C結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的3T1C驅(qū)動電路有3個晶體管和1個電容，并具有可見光通信（Visible Light Communication，VLC）功能，在有源Micro-LED矩陣裝入VLC發(fā)射器能夠同時實現(xiàn)顯示和可見光通信兩大功能。3T1C像素驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)包含2個基本晶體管和1個電容器。M1是驅(qū)動晶體管，用于驅(qū)動Micro-LED像素，M2是開關(guān)晶體管，電容CST用于存儲來自CDATA的顯示信號。在M1和LED像素之間插入一個晶體管M3，由全局信號DVLC控制M3晶體管的開關(guān)。當CDATA被掃描信號RSEL選中時，M2晶體管打開，如果此時沒有啟用DVLC，無法打開晶體管M3，因此LED像素沒有電流流過。只有當M2晶體管打開，同時啟用DVLC，CDATA顯 示 信 號 存 儲 在CST電 容 中，M1晶 體管才能驅(qū)動Micro-LED像素發(fā)光。RSEL控制M2晶體管，RSEL與高速DVLC信號一起應(yīng)用來控制M3，再通過驅(qū)動晶體管M1控制Micro-LED打開和關(guān)閉，將顯示數(shù)據(jù)更新到Micro-LED像素單元中［74］。3T1C像素電路如圖12所示。

圖12 3T1C像素驅(qū)動單元［74］Fig.123T1C pixel driver unit［74］

（3）4T2C驅(qū)動電路

由于Micro-LED是一種電流驅(qū)動型發(fā)光器件，采用電流控制電流源（Current Controlled Current Source，CCCS）配置的像素電路具有更好的驅(qū)動能力、顯示均勻性和發(fā)射穩(wěn)定性等優(yōu)點。4T2C有源矩陣驅(qū)動電路如圖13（a）所示。在4T2C驅(qū)動電路中，包含了4個晶體管和2個電容，Idata代表灌電流，是從外部電路流入LED像素電路內(nèi)。T1和T2是開關(guān)晶體管，T4是驅(qū)動晶體管，T3是鏡像晶體管。在掃描線和VDD之間以串聯(lián)的形式連接C1和C2兩個存儲電容器。當掃描信號Vscan被選中時，晶體管T1和T2打開，Idata流入像素驅(qū)動電路內(nèi)，使得電容器進行充電。當B點的電壓大于T3和T4晶體管的閥值電壓之后，T4晶體管中的電流將與T3晶體管中的電流成鏡像關(guān)系，則ILED與Idata成比例變化，這段時間被定義為寫入時間。在掃描信號沒有選中后，T1和T2將關(guān)閉，發(fā)光單元由存儲在電容器中的電壓驅(qū)動T4晶體管持續(xù)保持接通，這段時間被稱作等待時間，等待下一個周期掃描信號再一次選通。兩幀的時序圖如圖13（b）所示。第一幀中的像素打開，第二幀中的像素關(guān)閉，t1和t3是寫入時間，t2和t4是保持時間。這種驅(qū)動路設(shè)置的優(yōu)點是：2個電容器可以更精確地調(diào)整T3和T4的閾值電壓，驅(qū)動晶體管T4輸出電流不受Micro-LED像素的均勻性和退化的影響，可以獲得更好的灰度，顯示質(zhì)量可以得到很好的改善［40］。

圖13 （a）一個4T2C有源矩陣驅(qū)動電路的原理圖；（b）兩幀的時序圖［40］。Fig.13（a）Schematic diagram of 4T2C active matrix drive circuit；（b）Timing diagram of two frames［40］.

6 總結(jié)與展望

Micro-LED可以實現(xiàn)快速的響應(yīng)頻率、高度的陣列集成和高亮度的透明顯示，在許多顯示應(yīng)用方面具有潛力。目前，Micro-LED顯示器的市場仍處于初期階段，還沒有大范圍擴展，這對于學(xué)界和業(yè)界來說既是機遇也是挑戰(zhàn)。本文介紹了Micro-LED的研究發(fā)展進程，包括外延生長技術(shù)、襯底剝離技術(shù)到芯片倒裝鍵合工藝和驅(qū)動技術(shù)，重點介紹了Micro-LED顯示器的驅(qū)動技術(shù)。為了提高刷新頻率和像素亮度，Micro-LED陣列的驅(qū)動方式主要采用有源驅(qū)動，每個像素對應(yīng)于一個驅(qū)動單元。由于Micro-LED芯片尺寸小，使得Micro-LED對驅(qū)動的薄膜層要求較為嚴苛，常用的有源驅(qū)動方式有CMOS驅(qū)動和TFT驅(qū)動。采用倒裝鍵合技術(shù)將制備好的Micro-LED芯片陣列與CMOS/TFT驅(qū)動集成后，所制得的Micro-LED顯示器可以獲得高質(zhì)量的圖像。CMOS驅(qū)動受到硅晶片的尺寸限制，比較適用于制造小屏幕顯示器。TFT驅(qū)動可以實現(xiàn)大尺寸顯示，與半導(dǎo)體工藝結(jié)合，能夠提升顯示器的發(fā)光效率。

但在制備Micro-LED陣列時，采用ICP刻蝕技術(shù)將外延層制備成含有GaN微米柱的臺面結(jié)構(gòu)，容易引起側(cè)壁缺陷。當電子和空穴在側(cè)壁缺陷處發(fā)生非輻射復(fù)合時，會引起Micro-LED發(fā)光效率下降，并且小尺寸的Micro-LED更容易受到側(cè)壁缺陷的影響。在將Micro-LED制作成顯示器件時，需要考慮Micro-LED小尺寸帶來的各種影響。同時，如何提高驅(qū)動器與Micro-LED陣列集成的效率和穩(wěn)定性也是現(xiàn)階段需要研究的一個方向。另外，Micro-LED產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，Micro-LED顯示器在晶片制造、外延生長、巨量轉(zhuǎn)移、全彩化、驅(qū)動電路和面板制造等步驟中都需要嚴格的規(guī)范，在多個技術(shù)領(lǐng)域還需要有進一步的突破。