壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高的μLED技術(shù)簡(jiǎn)介

　　寬能隙（Wide Bandgap）半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）及其相關(guān)化合物半導(dǎo)體材料，被廣泛開(kāi)發(fā)用于照明及各種光電元件上。氮化鎵發(fā)光二極體（GaN LED）發(fā)光波長(zhǎng)涵蓋綠光至深紫外光波段，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，將完全取代傳統(tǒng)白熾燈泡及螢光燈做為照明光源。

　　另一種潛在的光電元件是微光電陣列元件（Micro Optoelectronic Device），該元件集合成千上萬(wàn)如發(fā)光體（Emitter）、偵測(cè)器（Detector）、光學(xué)開(kāi)關(guān)（OpTIcal Switch）或光波導(dǎo)（OpTIcal Waveguide）等微型元件于單一晶片上。工研院預(yù)期微光電陣列元件未來(lái)將在顯示、生醫(yī)感測(cè)（Biosensor）、光通訊或光纖通訊、光互連 （Interconnect）及訊號(hào)處理（Signal Process）領(lǐng)域上扮演重要角色。

　　微發(fā)光二極體陣列（Micro LED Array）透過(guò)定址化驅(qū)動(dòng)技術(shù)做為顯示器，除具有LED的高效率、高亮度、高可靠度及反應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，其自發(fā)光顯示--無(wú)需背光源的特性，更具節(jié)能、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易、體積小、薄型等優(yōu)勢(shì)。Micro LED比起同樣是自發(fā)光的有機(jī)發(fā)光二極體（OLED）顯示器，有較佳的材料穩(wěn)定性、壽命長(zhǎng)、無(wú)影像烙印等問(wèn)題，其獨(dú)特的高亮度特性在投影式顯示應(yīng)用，如微投影（Pico ProjecTIon）、頭戴式光學(xué)透視顯示器（See-through HMD）、抬頭顯示器（Head-up Display， HUD）等，更具競(jìng)爭(zhēng)力。此外，奈秒（Nano Second）等級(jí)的高速響應(yīng)特性使得LED顯示器除適合做叁維（3D）顯示外，更能高速調(diào)變、承載訊號(hào)，做為智慧顯示器的可視光無(wú)線通訊功能。

　　Micro LED技術(shù)塬理

　　Micro LED微顯示器的晶片表面必須製作成如同LED顯示器般之陣列結(jié)構(gòu)，且每一個(gè)點(diǎn)畫(huà)素（Pixel）必須可定址控制、單獨(dú)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮。若透過(guò)互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電路驅(qū)動(dòng)則為主動(dòng)定址驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，Micro LED陣列晶片與CMOS間可透過(guò)封裝技術(shù)，如覆晶封裝方式（Flip Chip Bonding）形成電性連結(jié)。黏貼完成后Micro LED能藉由整合微透鏡陣列（Microlens Array），提高亮度及對(duì)比度。圖1是被動(dòng)定址Micro LED微顯示晶片，Micro LED陣列經(jīng)由垂直交錯(cuò)的正、負(fù)柵狀電極（P-metal Line & N-metal Line）連結(jié)每一顆Micro LED的正、負(fù)極，透過(guò)電極線的依序通電，透過(guò)掃描方式點(diǎn)亮Micro LED以顯示影像。主動(dòng)驅(qū)動(dòng)顯示器比被動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)方式更節(jié)能、更快反應(yīng)速度，向來(lái)是高解析顯示器主流驅(qū)動(dòng)方式。

　　圖1 Micro LED被動(dòng)定址陣列架構(gòu)示意圖及晶片照片

　　Micro LED技術(shù)挑戰(zhàn)亟待突破

　　Micro LED（《50微米（μm））存在有別于一般尺寸（》100微米）LED的特性。例如一般尺寸LED幾乎沒(méi)有電流擁擠（Current Crowding）、熱堆積等問(wèn)題，且因晶格應(yīng)力釋放及較大出光表面而可能有較佳的效率等優(yōu)勢(shì)。相對(duì)的，較大表面積的Micro LED可能因表面缺陷多而有較大的漏電路徑，微小電極提高串聯(lián)電阻值，都會(huì)影響發(fā)光效率。因此，微型LED陣列化製程開(kāi)發(fā)及微型LED的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須克服上述問(wèn)題。此外，Micro LED的均勻度關(guān)係到成像品質(zhì)及產(chǎn)品良率，為技術(shù)開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)之一。

　　事實(shí)上，目前的Micro LED微顯示器均為單光色，塬因在于單一基板上很難同時(shí)有磊晶成長(zhǎng)不同波長(zhǎng)，并且保持高品質(zhì)的LED。因此，據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，美商3M可能以波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的方式將藍(lán)光（或UV）光透過(guò)量子井光激發(fā)層轉(zhuǎn)成紅、（藍(lán)）、綠光，構(gòu)成叁塬色光模式（RGB）畫(huà)素。而索尼（Sony）、OKI等廠商則傾向採(cǎi)用以分次轉(zhuǎn)貼紅、藍(lán)、綠光Micro LED磊晶薄膜的技術(shù)（Epi-film Transfer），構(gòu)成彩色Micro LED陣列。在Micro LED畫(huà)素大小約10微米尺度下，RGB陣列技術(shù)是全球各團(tuán)隊(duì)亟待突破的技術(shù)瓶頸。

　　各國(guó)技術(shù)研發(fā)迭有進(jìn)展

　　德州科技大學(xué)（Texas Tech University）的江教授團(tuán)隊(duì)在2011年底發(fā)表了至目前為止，全球密集度最高（1，693dpi）的綠光主動(dòng)定址Micro LED陣列晶片（圖2），達(dá)視訊圖形陣列（VGA）（640&TImes;480）解析度。此種微顯示器結(jié)合Micro LED陣列和CMOS的驅(qū)動(dòng)積體電路（IC），每個(gè)Micro LED單體下都有一驅(qū)動(dòng)電晶體電路，可個(gè)別控制發(fā)光。

　　圖2 德州科大所開(kāi)發(fā)的主動(dòng)定址微晶粒發(fā)光二極體陣列微顯示器

　　美國(guó)Ostendo Technology公司透過(guò)優(yōu)化半導(dǎo)體製程中的微影及蝕刻技術(shù)（圖3），在4吋LED晶圓上實(shí)現(xiàn)均勻度98%，密集度高達(dá)2，450dpi的Micro LED陣列。此技術(shù)的開(kāi)發(fā)有助于高解析的LED微顯示器實(shí)用化。Ostendo也將運(yùn)用此技術(shù)製作雷射二極體（LD）陣列，做為投影顯示源，此舉將比 LED微顯示器在投影應(yīng)用上，具有更佳的光學(xué)效率。

　　圖3 Ostendo Technology公司開(kāi)發(fā)Micro LED陣列點(diǎn)距10μm的製程技術(shù)

　　英國(guó)Strathclyde大學(xué)的Dawson教授在Micro LED的研究上投入頗多，圖4為其製作的64×64微顯示器。他們并將微透鏡（Microlens）積體電路整合到Micro LED陣列上，用來(lái)提高顯示器亮度。2010年中研究團(tuán)隊(duì)更衍生成立mLED公司，提供Micro LED技術(shù)平臺(tái)，配合客戶開(kāi)發(fā)生醫(yī)、微顯示、列印、半導(dǎo)體製程光源等相關(guān)應(yīng)用模組或產(chǎn)品。

　　圖4 mLED開(kāi)發(fā)的64×64 Micro LED陣列

　　圖5為工研院電光所製作之240×160 Micro LED元件。元件尺寸為7.4毫米（mm）×4.9毫米，Micro LED畫(huà)素間距為30微米（846dpi）。工研院電光所目前已製作出紅、藍(lán)、綠光的Micro LED陣列，并朝整合紅、藍(lán)、綠叁光色Micro LED在單一晶片中開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)單晶片Micro LED全彩顯示晶片。

　　圖5 工研院電光所製作的240×160藍(lán)光LED微晶粒陣列元件影像