文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.001
中文引用格式： 李響，梁中翥，包興臻，等. 微型LED陣列器件的發(fā)展及應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(7)：3-6，10.
英文引用格式： Li Xiang，Liang Zhongzhu，Bao Xingzhen，et al. The development and application of miniature LED array device[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：3-6，10.
0 引言
LED作為一種主動(dòng)的自發(fā)光器件，從誕生至今已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)，由于功耗小、工作電壓低、發(fā)光亮度高、工作壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、可在極端的環(huán)境下工作而性能衰減很小等特點(diǎn)使之得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著LED技術(shù)的發(fā)展以及各個(gè)行業(yè)對(duì)于微型化集成化的應(yīng)用要求越來(lái)越高，微型LED陣列器件應(yīng)運(yùn)而生。該器件是一種結(jié)合了LED的光電特性和微光機(jī)電系統(tǒng)(Micro Optical Electric-Mechanical System，MOEMS)工藝技術(shù)的新型器件，它結(jié)合了二者獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，將LED的研究及應(yīng)用推廣到一個(gè)全新的、更加廣泛的新穎領(lǐng)域[1]。
微型LED陣列器件是在外延生長(zhǎng)的同一發(fā)光二極管芯片上集成高密度微小尺寸的二維陣列，或者在同一外延基片材料上進(jìn)行高密度集成排列的微小尺寸的高亮度發(fā)光二極管管芯的二維陣列，厚度僅維持在幾百微米。它可以應(yīng)用于顯示、軍事、通信、航空航天、衛(wèi)星定位和情報(bào)系統(tǒng)、野外作業(yè)、儀器儀表、掌中電腦、刑事、醫(yī)學(xué)、消防、個(gè)人信息系統(tǒng)及娛樂(lè)裝飾等廣闊的領(lǐng)域[2]。
微型LED陣列器件還可以作為傳輸數(shù)據(jù)通信的光源以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率和抗干擾性，應(yīng)用于儀器的信號(hào)數(shù)據(jù)傳送及武器系統(tǒng)和短程光通信等項(xiàng)目。同時(shí),也能用于光電傳感器和光電數(shù)據(jù)編碼器等，這種新型的光電數(shù)據(jù)編碼器比之前所用的機(jī)械式編碼器有著更高的響應(yīng)速度，且可靠性能高，錯(cuò)碼率低，精度高，堅(jiān)固耐用，使用范圍較廣，可在任意場(chǎng)合和條件下使用。近些年來(lái)微型LED陣列用于通信網(wǎng)絡(luò)中和微顯示器件的光開(kāi)關(guān)制作已得到論證[3，4]。這種器件在微顯示領(lǐng)域、航空航天及其他領(lǐng)域?qū)?huì)得到更多的應(yīng)用。其主要研究的方向及應(yīng)用領(lǐng)域如圖1所示[5]。
1 微型LED陣列器件的結(jié)構(gòu)、制作及特征
微型LED器件是在LED芯片上采用微工藝技術(shù)制作而成，因此其材料生長(zhǎng)與LED材料生長(zhǎng)一樣，如Ⅲ族氮化物L(fēng)ED的材料是采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的方法在藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)的。藍(lán)寶石襯底為氮化物微型LED陣列的單元獨(dú)立與隔離提供了很理想的平臺(tái)。此外，還有AlGaAs等材料用以制作紅色LED器件，其生長(zhǎng)是在GaAs襯底上采用MOCVD法進(jìn)行逐層生長(zhǎng)。發(fā)光波長(zhǎng)根據(jù)生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)元素的參雜濃度控制實(shí)現(xiàn)。通常，材料生長(zhǎng)都是在2 inch的襯底上進(jìn)行，生長(zhǎng)完成后，其微型結(jié)構(gòu)是通過(guò)MOEMS技術(shù)及半導(dǎo)體制作工藝逐步完成。制作過(guò)程包括刻蝕、光刻、鍍膜、電鑄等一系列工藝步驟，每個(gè)步驟都會(huì)對(duì)器件的結(jié)構(gòu)及性能起到關(guān)鍵性的影響作用。以GaN基LED微陣列器件為例，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。
如圖2所示，LED微陣列器件的制作方式可以有兩種，一種是在預(yù)先選好的襯底上制作完成P型或N型電極結(jié)構(gòu)，接著將微型LED單元與帶電極結(jié)構(gòu)的襯底進(jìn)行鍵合，再做剩余電極結(jié)構(gòu)，最后封裝；另一種方法是在完成隔離的微陣列器件上直接進(jìn)行P型或者N型電極結(jié)構(gòu)制作，完成后直接進(jìn)行封裝驅(qū)動(dòng)。對(duì)于GaN型LED陣列器件，通常需要對(duì)襯底進(jìn)行剝離或者將電極結(jié)構(gòu)做在同一側(cè)，如此才可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的功能。對(duì)于AlGaInP紅光LED陣列器件，無(wú)需進(jìn)行襯底的剝離，電極可直接做在兩側(cè)。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[6]。
2 微型LED陣列器件的發(fā)展歷程
自1998年德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的研究小組在AlGaInP材料上采用ICP刻蝕技術(shù)制作出微結(jié)構(gòu)以來(lái)，微型LED陣列器件的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注。此后，美國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始投入大量的資本進(jìn)行微陣列器件的研究，并在近十年取得了可觀的成果。
2004年，英國(guó)斯特拉思克萊德大學(xué)光子學(xué)研究院的研究團(tuán)隊(duì)研制出一種矩陣尋址的微型InGaN-LED陣列。 該團(tuán)隊(duì)利用多功能ICP刻蝕系統(tǒng)，用SiO2、光刻膠或金屬作為掩膜層，利用ICP刻蝕制作出倒梯形的隔離溝槽。通過(guò)改變各種刻蝕工藝參數(shù)來(lái)控制側(cè)壁的傾斜度，可以用來(lái)滿足不同需求的壞境要求。用該工藝可實(shí)現(xiàn)各向異性的刻蝕要求，不需要化學(xué)機(jī)械拋光，采用這種方法制作出具有良好的光學(xué)及電學(xué)及隔離的LED陣列，一致性和均勻性很高[7]。圖4中(a)為該研究團(tuán)隊(duì)研制出的128×96微顯示陣列[7]。
2008年，帝國(guó)大學(xué)的V Poher帶領(lǐng)自己的研究團(tuán)隊(duì)研制出一種LED微型陣列并將其用于二維神經(jīng)元的刺激模擬。這種LED微型陣列的像素尺寸在微米的量級(jí)，基本都滿足用以刺激模擬細(xì)胞所需的各種條件，同時(shí)可以通過(guò)單獨(dú)尋址的方法實(shí)現(xiàn)各個(gè)發(fā)光單元的驅(qū)動(dòng)。圖4中(b)為64×64的藍(lán)色LED陣列[8]。
2011年，美國(guó)德克薩斯科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究小組在GaN基材料上制作出640×480個(gè)像素單元的微顯示集成LED陣列。該研究小組采用倒裝的方法，通過(guò)金屬In將單元與Si基COMS集成電路進(jìn)行鍵合，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)像素的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，且像素大小僅為12 μm×12 μm，像素間距僅為3 μm。該研究成果是目前研究報(bào)道中像素尺寸最小、集成度最高的微型LED陣列器件。其陣列結(jié)構(gòu)及顯示效果如圖5所示[9]。
除以上介紹的研究成果以外，國(guó)外許多國(guó)家在該領(lǐng)域的研究有很多報(bào)道，其進(jìn)展也比較顯著。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究雖然起步較晚，但在近幾年研究也取得一定的收獲。2013年，香港科技大學(xué)的研究小組成功制作出30×30的綠光LED陣列，像素大小為100 μm，像素間距為140 μm。圖6為該小組研制出的微型LED陣列結(jié)構(gòu)及用于顯示的圖形[10]。
從2006年開(kāi)始，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所的一個(gè)研究小組開(kāi)始致力于微型LED陣列器件的研究，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到器件制作都取得了一定的成果。圖7為該小組設(shè)計(jì)的微型LED陣列器件結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)四個(gè)單元的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果[11]。
以上的研究結(jié)果均是基于單色LED微陣列器件的研究，隨著科技的進(jìn)步，全色及白光集成LED微陣列器件的研究必將引起新的關(guān)注。眾所周知，全色微陣列器件需要紅、綠、藍(lán)三色LED進(jìn)行合成，這三種單色微型LED陣列器件的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，而白光微顯示器件的研究需將這三種顏色的微型LED陣列器件進(jìn)行結(jié)合。由于不同波長(zhǎng)的光，其發(fā)光材料的性能及參數(shù)各不相同，因此不能在同一襯底上通過(guò)材料生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)三色光的合成。因此需要將三種波長(zhǎng)的LED微顯示器件在同一襯底或同一系統(tǒng)中進(jìn)行集成。
目前， LED微陣列器件應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域便是微顯示器件的研究及制作。微顯示器件可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，諸如微型投影儀、DLP、頭戴顯示器、汽車儀表盤等。圖8給出了目前LED微顯示器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域[5]。
微顯示器件的發(fā)展經(jīng)歷了單色至全色的研究歷程，關(guān)于單色微顯示器件在微陣列LED器件的發(fā)展歷程中已經(jīng)作了介紹，而全色LED微陣列器件的研究則基于紅、綠、藍(lán)三種LED微陣列器件的合成。由于材料的性能差別，三種顏色的芯片不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)生長(zhǎng)，綠光LED及藍(lán)光LED一般是以GaN材料為發(fā)光材料，其晶格參數(shù)與藍(lán)寶石襯底比較匹配；而紅光LED是以AlGaInP材料為主要發(fā)光材料，其晶格參數(shù)與GaAs襯底較匹配，因此，在同一襯底上同時(shí)生長(zhǎng)三種顏色的LED材料相對(duì)困難。2014年北京半導(dǎo)體所報(bào)道了采用排列鍵合法制作出了全色LED微顯示器件，其結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)全色顯示圖像如圖9所示[12]。
除此方法以外，香港科技大學(xué)的一研究小組將三色微型LED陣列分別置于立方體的三個(gè)側(cè)面，通過(guò)在立方體中植入光學(xué)系統(tǒng)，將三種顏色的光進(jìn)行合成，制作出了全色LED微顯示投影儀。該新穎的方法是對(duì)全色LED微顯示器件發(fā)展的一種鼓勵(lì)，突破了同一襯底上材料生長(zhǎng)及同一驅(qū)動(dòng)電路上進(jìn)行三色LED器件的排列困難。圖10給出了其制作的微型LED投影儀的結(jié)構(gòu)圖，圖11為該微型LED投影儀投影顯示的圖像[13]。
全色LED微顯示器件的發(fā)展必將成為L(zhǎng)ED微顯示行業(yè)發(fā)展的主流，其主動(dòng)發(fā)光、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)使得其應(yīng)用前景越來(lái)越廣泛。
3 總結(jié)與展望
LED微陣列器件的發(fā)展從單色至全色已經(jīng)發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的突破，在技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了顯著的成果。但LED微陣列器件目前尚處于科研階段，市場(chǎng)化的產(chǎn)品較少。隨著科技的發(fā)展，LED微陣列器件的技術(shù)困難會(huì)逐步得到解決，市場(chǎng)化產(chǎn)業(yè)鏈也會(huì)逐步形成，其優(yōu)異的性能及市場(chǎng)前景必將在未來(lái)幾年之內(nèi)取得突破性的進(jìn)展，進(jìn)入越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域，為人民的生活提供更多的便利與服務(wù)。
參考文獻(xiàn)
[1] MENDES M，F(xiàn)u Jie，PORNEALA C，et al.Lasers in the manufacturing of LEDs[J].Proc.of SPIE，2010，7584.
[2] 包興臻.LED集成陣列芯片理論及關(guān)鍵工藝研究[D].長(zhǎng)春：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2013.
[3] GEIB K M，CHOQUETTE K D，SERKLAND D K，et al.Fabrication and performance of two-dimensional matrix addressable arrays of integrated vertical-cavity lasers and resonant cavity photodetectors[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2002，8(4)：943-947.
[4] JIN S X，LI J，LIN J Y，et al.InGaN/GaN quantum well interconnected micro disk light emitting diodes[J].Appl.Phys.Lett，2000，77(20)：3236-3238.
[5] FAN Z Y，LIN J Y，JIANG H X.Ⅲ-nitride micro-emitter arrays：development and applications[J].J.Phys.D：Appl.Phys，2008，41(9)：094001.
[6] Oliver Kückmann.High power LED arrays Special requirements on packaging technology[J].Proc.of SPIE，6134：613404-1-8.
[7] CHOIN H W，JEON C W，DAWSON M D.Fabrication of matrix-addressable micro-LED arrays based on a novel etch technique[J].J.Crystal Growth，2004，268：527-530.
[8] POHER V，GROSSMAN N，KENNEDY G T，et al.MicroLED arrays：a tool for two-dimensional neuron stimulation[J].J.Phys.D：Appl.Phys，2008，41：094014.
[9] JIANG H X，LIN J Y.Nitride micro-LEDs and beyond-a decade progess review[J].Optics Express，2013，21(S3)：A475-A482.
[10] Liu Zhaojun，Chong Wing-Cheung，Wong Ka-Ming，et al.Investigation of forward voltage uniformity in monolithic Light-Emitting Diode arrays[J].IEEE Photonic Technology Letters，2013，25(13)：1290-1293.
[11] 尹悅.LED微顯示集成陣列芯片的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2011.
[12] Xue Bin，Yang Hua，Yu Fei，et al.Colour tuneable microdisplay based on LED matrix[J].SPIE，2014，9270：92701B-1-92701B8.
[13] Liu Zhaojun，Chong Wing-Cheung，Wong Ka-Ming，et al.A nover BLU-free-color LED projector using LED on silicon micro-displays[J].IEEE Photonics Thechnollgy Letters，2013，25(23)：2267-2270.