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.東莞理工學院 電子工程與智能化學院，廣東 東莞 523808；2.東莞理工學院 機械工程學院，廣東 東莞 523808；3.華南師范大學 信息光電子科技學院，廣東 廣州 510631；4.華南理工大學 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）顯示技術方興未艾，新興微米發(fā)光二極管（Micro-LED）顯示技術也嶄露頭角，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用［11-12］。近年來，全球已有大量的研究機構、企業(yè)對Micro-LED顯示技術進行深入研究，并采用不同的工藝技術，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顯示技術是指利用Micro-LED芯片實現(xiàn)全彩顯示的新型顯示技術，其涵蓋了芯片制備、驅動基板制備、巨量轉移與鍵合、全彩化等技術［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，由毫米量級轉為微米量級。Micro-LED尺寸的改變，對其相關的材料生長、器件制備、驅動技術、生產(chǎn)工藝等過程均產(chǎn)生影響，和應用于照明的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］。隨著顯示技術的快速發(fā)展，LED芯片不斷微型化，封裝技術得到改進，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，有些學者認為二者尺寸應以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］；也有學者認為二者應以50 μm為分界線［22］。Mini-LED和Micro-LED顯示屏有不同的應用場景，Mini-LED一般作為LCD的背光源出現(xiàn)，再結合量子點技術，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顯示技術的發(fā)展歷程、Micro-LED陣列的制備、倒裝芯片集成技術以及顯示驅動技術。在顯示驅動技術中重點介紹了有源驅動（Active Matrix，AM）部分，描述了互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）驅動、薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）驅動兩種主流的驅動原理，并詳細解析了3個像素驅動電路實例。在CMOS驅動部分，介紹了CMOS驅動的原理和CMOS驅動RGB Micro-LED的方法。在TFT驅動部分中，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）有源驅動結構的工作原理進行了介紹，并拓展介紹了3T1C和4T2C像素電路結構。

2 Micro-LED顯示技術的發(fā)展歷程

2000年美國堪薩斯州立大學江紅星等人，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Choi等人利用光刻技術制作了一種藍光128×96有源驅動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 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)了彈性印章轉移技術，這一技術的出現(xiàn)提高了Micro-LED陣列巨量轉移的可行性［28］，并在2009年采用彈性印章轉移打印技術制造了紅光Micro-LED陣列，使用專門的外延半導體層，可以制作大量超薄器件［29］。2009年，香港科技大學劉召軍等人采用倒裝芯片技術制備基于氮化鎵（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Day等人通過倒裝焊技術將Si-CMOS驅動背板和綠光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顯示技術步入快速發(fā)展階段。

2015年，美國Lumiode公司和哥倫比亞大學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動電路的工作，展示了一種使用TFT有源驅動Micro-LED矩陣［32］。2015年香港科技大學郭海成等人采用氣溶膠噴射技術來實現(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等人通過滾輪轉印技術將Micro-LED陣列和Si-TFT電路轉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驅動電路結合［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用領域。2018年，香港北大青鳥公司在晶片上使用標準半導體設備和工藝制造紅、綠、藍3種單色Micro-LED顯示面板，分辨率為5000 PPI［36］。2019年，法國Leti公司采用微管技術將CMOS驅動電路和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陣列結構，能夠進行統(tǒng)一驅動，相比于單獨復雜的驅動電路，該設計簡化了制備工藝和驅動電路設計步驟［38］。2021年，復旦大學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：臺面結構（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，采用金屬有機化學氣相沉積（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技術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，形成臺面結構；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；最后一步是構建n型接觸墊和p型接觸墊。構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技術制備了一種藍光LED外延結構，生長的LED的總厚度為1.7 μm，薄的外延層可以有效減少LED與金屬氧化物半導體場效應晶體管（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，去除可能導致MOSFET故障的金屬殘留物，然后在其上面制備驅動電路。將制備好的Micro-LED芯片通過沉積金屬線與驅動電路相連，成功制備了一個60×60的像素陣列，單個Micro-LED集成結構如圖2（b）所示。

隨著陣列制備技術的提升，Micro-LED尺寸的減小會帶來尺寸效應、邊緣效應以及低刻蝕損傷和鈍化修復技術等難題。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。這些缺陷導致非輻射復合比例逐漸上升，增加了有源區(qū)內(nèi)肖克利·雷德·霍爾（SRH）非輻射復合幾率，降低了輻射復合幾率和發(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刻蝕引起的側壁懸空鍵還進一步使得注入的電子和空穴的非輻射復合顯著增加，導致發(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

4.1 Micro-LED襯底剝離技術

Micro-LED陣列生長的外延層通常需要從原始襯底上剝離，并轉移鍵合到具有特定功能的驅動背板上實現(xiàn)顯示。去除Micro-LED襯底主要使用激光剝離技術和化學刻蝕技術［46］。激光剝離（Laser Lift-off，LLO）技術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)生應力，從而導致藍寶石襯底與GaN薄膜脫離［47］。化學刻蝕方法去除襯底操作步驟更為方便，通常采用化學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與驅動基板的鍵合技術

將Micro-LED從原始襯底上剝離下來后，需要通過轉移技術將Micro-LED陣列與驅動基板進行鍵合。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電極獨立與驅動電路相連，采用倒裝芯片鍵合技術，每個Micro-LED像素與配套的CMOS驅動電路鍵合在一起。該CMOS控制單元能夠存儲數(shù)據(jù)并驅動每個單獨的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的金倒裝鍵合/Cu-Sn無金倒裝鍵合和使用回流焊技術的銦倒裝鍵合、金屬微管倒插鍵合。

金倒裝鍵合方案已應用于Micro-LED顯示技術中［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技術在襯底上依次制備n-GaN層、MQW層和p-GaN層，通過ICP技術刻蝕成臺面陣列，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氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）技術沉積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］，其倒裝結構如圖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驅動背板鍵合［55］。2013年香港科技大學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，可以使像素間距縮小到10 μm以下［57］。該技術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 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面的金屬被刻蝕；最后使用反應離子刻蝕（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驅動技術

Micro-LED顯示技術有無源驅動（PM）和有源驅動（AM）兩種驅動方式［59］。驅動方式不同，Micro-LED像素單元驅動電路的結構也不同。由于無源驅動采用掃描的方式，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 無源驅動技術

無源驅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，每個像素能夠實現(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無源驅動技術會導致電流密度過高，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無源驅動的等效電路圖如圖6所示。

圖6 無源驅動等效電路圖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動技術，不需要制備CMOS/TFT驅動，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技術將GaN刻蝕至藍寶石襯底處構建隔離溝，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 有源驅動技術

5.2.1 CMOS驅動

CMOS驅動的有源矩陣Micro-LED微顯示器，其中每一個像素都對應一個CMOS驅動電路，能夠存儲數(shù)據(jù)并驅動對應的Micro-LED像素單元。CMOS驅動背板的結構包括像素驅動器、掃描驅動器、數(shù)據(jù)驅動器和混合電壓調(diào)節(jié)器。將制備好的Micro-LED陣列倒裝連接到CMOS驅動背板上，如圖8（a）所示。其中，像素驅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是行掃描開關晶體管，M2用作控制電流源開關晶體管，M3是行全局使能開關晶體管，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驅動。（a）Micro-LED陣列和有源矩陣CMOS背板的倒裝焊；（b）像素驅動電路原理圖［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電路驅動Micro-LED像素或者驅動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電線路組成更加簡單和便宜的襯底。Micro-LED則由CMOS電路驅動，但是如果采用這種方法制造Micro-LED顯示器，RGB Micro-LED和驅動電路需要單獨進行轉移，至少需要進行4次轉移，無疑使得轉移過程更加難以進行，并且還需要進一步處理使CMOS驅動電路與Micro-LED建立連接。法國Leti公司進行了改進，首先制備CMOS驅動電路晶片，并將CMOS驅動晶片和藍光Micro-LED外延片進行鍵合，通過芯片制備技術在外延片上制作藍光Micro-LED陣列，再將藍光Micro-LED進行色彩轉換，獲得RGB Micro-LED單元組，通過微管倒裝鍵合方式將單元組和CMOS驅動電路單元進行集成，制造了1個由CMOS驅動電路和RGB Micro-LED組成的微型集成器件，并將整個器件轉移到由行和列導電線路組成的接收襯板上，不再需要將單個像素依次轉移到接收襯底上，提升了產(chǎn)品良率［37］。這種方法結合了CMOS驅動和簡單傳輸過程，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驅動RGB Micro-LED顯示［37］Fig.9 CMOS drive RGB Micro-LED display［37］

5.2.2 TFT驅動技術及應用

TFT驅動Micro-LED顯示陣列與傳統(tǒng)TFTOLED技術類似，采用鍵合技術將Micro-LED陣列轉移到TFT驅動的背板上，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、響應速度快和低功耗等優(yōu)點。LTPS TFT可以跟驅動電路制程整合，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Jin等人提出LTPO驅動技術由p型LTPS TFT和n型IGZO TFT組 合 在1個像素電路中。該像素驅動電路擁有較小的驅動電流和較低的漏電流，降低了生產(chǎn)成本，降低了LTPS TFT自熱效應的影響，獲得高分辨率和刷新穩(wěn)定性更好的顯示設備［62］。

（1）LTPS TFT驅動

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集成Micro-LED陣列器件橫截面結構示意圖。

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)過驅動IC轉換為每個Micro-LED芯片的控制信號，玻璃基板上LTPS TFT驅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技術可以用來驅動大屏幕的Micro-LED顯示器，成功制備了由a-IGZO TFT驅動和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。應用氧化物TFT驅動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用領域，如智能汽車前照燈，AR/VR和可穿戴設備等微顯示器。

圖10 有源TFT驅動Micro-LED陣列示意圖。（a）Micro-LED和TFT驅動背板集成［63］；（b）Micro-LED陣列和LTPS TFT驅動剖面結構圖［63］；（c）雙柵a-IGZO TFT驅動Micro-LED顯示截面圖［67］；（d）LTPO TFT驅動結構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，會導致較高的熱效應，積累的熱量可能會損壞Micro-LED器件。而在驅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驅動技術，能夠較好地散熱，提高了電路整體性能。LTPO驅動技術可以實時監(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結構及其對應的像素驅動電路如圖10（d）所示，LTPO TFT驅動結構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，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 像素驅動電路

（1）2T1C驅動電路

在有源驅動電路中，每一個Micro-LED像素都有各自獨立的驅動電路，雙晶體管單電容2T1C電路［70］是最基本的有源矩陣驅動電路。單個2T1C像素電路使用2個TFT晶體管和1個電容，其中T1為開關晶體管，用來控制像素電路的開啟或關閉，T2是驅動晶體管，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)驅動Micro-LED器件點亮。當掃描信號關閉時，T1晶體管關閉，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驅動電路

基于2T1C結構發(fā)展而來的3T1C驅動電路有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像素驅動單元的結構包含2個基本晶體管和1個電容器。M1是驅動晶體管，用于驅動Micro-LED像素，M2是開關晶體管，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。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信號一起應用來控制M3，再通過驅動晶體管M1控制Micro-LED打開和關閉，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像素驅動單元［74］Fig.123T1C pixel driver unit［74］

（3）4T2C驅動電路

由于Micro-LED是一種電流驅動型發(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有源矩陣驅動電路如圖13（a）所示。在4T2C驅動電路中，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是開關晶體管，T4是驅動晶體管，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將關閉，發(fā)光單元由存儲在電容器中的電壓驅動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，第二幀中的像素關閉，t1和t3是寫入時間，t2和t4是保持時間。這種驅動路設置的優(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 總結與展望

Micro-LED可以實現(xiàn)快速的響應頻率、高度的陣列集成和高亮度的透明顯示，在許多顯示應用方面具有潛力。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、襯底剝離技術到芯片倒裝鍵合工藝和驅動技術，重點介紹了Micro-LED顯示器的驅動技術。為了提高刷新頻率和像素亮度，Micro-LED陣列的驅動方式主要采用有源驅動，每個像素對應于一個驅動單元。由于Micro-LED芯片尺寸小，使得Micro-LED對驅動的薄膜層要求較為嚴苛，常用的有源驅動方式有CMOS驅動和TFT驅動。采用倒裝鍵合技術將制備好的Micro-LED芯片陣列與CMOS/TFT驅動集成后，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驅動可以實現(xiàn)大尺寸顯示，與半導體工藝結合，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刻蝕技術將外延層制備成含有GaN微米柱的臺面結構，容易引起側壁缺陷。當電子和空穴在側壁缺陷處發(fā)生非輻射復合時，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)鏈結構復雜，Micro-LED顯示器在晶片制造、外延生長、巨量轉移、全彩化、驅動電路和面板制造等步驟中都需要嚴格的規(guī)范，在多個技術領域還需要有進一步的突破。