利用下一代技术microLED显示的未来

日期:2018-05-16

MicroLED提供了发光显示技术,可提供高对比度、高速度和宽视角而无需高功耗电流
作者Myles Blake,Plessey Semiconductors营销总监
 
MicroLED(微型发光二极管)是一种新兴的显示技术,顾名思义,使用非常小的LED像素。如同其他任何现有的显示技术,它结合了红、绿、蓝子像素复制一个颜色。虽然目前在大批量生产中没有microLED显示,但今天已渗透主要显示市场,是取代现有的LCD和OLED技术的一个巨大的机会,从电视到智能手机和可穿戴设备,如智能手表和抬头显示器(HUD)和虚拟现实(VR)和增强现实(AR)耳机的可以使用。根据研究咨询机构Yole Developpement预测,2025年microLED显示器市场可能达到3.3亿万个。然而,MicroLED充分发挥潜力,仍有许多发展挑战。
 
显示技术
像OLED,microLED可提供发光显示技术,提供高对比度、高速度、宽视角电流。然而,OLED技术耗电大,亮度不高,例如,用户通常会发现在高环境光线下很难读取智能手机或平板电脑的屏幕。而microLED具有更高亮度的潜力,以及增强的鲁棒性和更长的寿命。此外,一个主要优点是更高的效率,这意味着大大降低了功耗,使该技术成为电池供电产品的理想选择。
 

图1:白天的亮度
 
MicroLED也是理想的小尺寸产品,如头戴式显示器、VR和AR的主要应用机会。然而,在这些类型的应用中有波导接口的困难,由于LED是典型的波导耦合传递图像,以智能手表为例,它有一个直接的可视化显示。耦合波导是一个非常有损耗的过程:只有7%的光线进入HUD可以使用,其中93%丢失了。虽然这也许是可以接受的相对简单的应用,如显示车速、卫星导航信息,它不适合更复杂的图像。
重要的是,microLED开始作为一个明显的亮源,提供比OLED更三或四个数量级的亮度,能够提供约1000尼特(cd/m2),而microLED的等效功率消耗可提供数以万计流明。这是从HUD从VR到AR产品设备的一大优势,适合常用波导的图象,如耳机或眼睛前方的眼镜。microLED视觉可能意味着从一个典型的笨重、耗电的VR耳机更像是一副眼镜的转变。另外,它可能意味着每个月为产品充电,而不是每二天,其中显示是大部分的电力消耗。
 

图2:AR眼镜
 
制造
今天,现有的microLED显示制造的一个主要挑战是安置(GaN)LED氮化镓在衬底上。行业的一个值得注意的方法是利用蓝宝石上GaN(GaN-on-sapphire)技术,但这项技术不适合整体方法,目前使用的是拾放设备设备。这涉及到每一个LED在小于50μm的位置上的单独放置,这就需要新的昂贵的设备,而这些设备都会受到生产力问题的影响。然而,随着显示器像素密度的增加,LED间距变得越来越小,无论是在商业上还是在技术上,选择和放置变得越来越不可行。拾放设备制造技术在工业上有很大的发展,其重点是大规模并行处理设备,它可以同时从施主晶圆上拾取数百个甚至数千个LED,然后将它们连接到背板上,但显然这意味着大量的资本支出。像素密度增加的另一个问题是分立的LED具有有限的尺寸,带来物理稳定性和对准问题。人的眼睛是最无情的,很擅长拾取扭曲的图像,或从像素到像素错位。当然,大规模的并行拾放设备生产是有帮助的,但必须认识到,每个LED之间的间距仍然受到其大小的限制。
蓝宝石上GaN技术通常针对大批量应用,如能提供400dpi显示的智能手机或智能手表,基于一个80微米的像素间距。但是,转向VR、AR或合并现实应用,意味着像素间距需要减少到40或20微米,甚至低至10至15微米。这超越了用任何一种对准精度拾放设备机械放置像素的能力。
为了解决成本和产量方面的考虑,还需要在较大的衬底上构建微型LED阵列。蓝宝石上GaN衬底高达6”,但增加蓝宝石衬底到200mm的成本将导致非常昂贵的基板。除了大蓝宝石上GaN晶圆的可用性,另一点是,它扩大了使用蓝宝石上GaN做LED应用的困难。替代技术的一个显著优点是硅上GaN,它能够制造更大的LED发射器。其中一个主要原因是,硅上GaN是一种固有的表面发光技术,而蓝宝石上GaN是一种固有的体积–发射技术,是从器件的四周以及表面发射。在开发先进的显示技术时,需要解决单个像素和颜色的问题,而体积发射的LED可以从单个像素中获得大量的串扰,从而导致终端显示器的对比度损失。
 
整体方法
所有这一切导致了一个杂交的单片阵列,这是说,构建在GaN microLED顶部,并加以互联,CMOS硅薄膜晶体管背板不需要拾放设备。非常重要的是,这种方法支持提供LED充电的标准CMOS电路阵列的集成,提供必要的解决方案来驱动microLED显示。此外,这种方法可以实现高性能GPU的紧密集成,所有这些都可以使用标准CMOS制造方法进行。主要的一点是制造的可扩展性——单片氮化镓上硅很容易扩展到200mm晶圆以上,这将是成本与收益的关键。
当然,单片microLED制造是一个新兴的技术,仍然存在许多挑战。至少存在彩色化的问题;需要进一步研究荧光粉的性能,以及其他适合蓝绿色和红色光的转换的潜在材料,特别是在5或10微米像素。
总的来说,转向单一进程将实现一系列应用更小的和更高分辨率的显示器,硅上GaN是唯一的技术,可以提供所需的可伸缩性和性能水平。它提供了比OLED更高的亮度,比蓝宝石更好的热导率,可以提供下一代高清晰度和高亮度显示。
 
开发正确的技术
Plessey Semiconductors是一家屡获殊荣的光电技术解决方案开发商,具有LED技术丰富的专业知识。在过去的五年中,该公司一直在为大功率LED照明市场开发高效、可靠的产品,基于从CamGaN收购获得的技术。在此之前,Plessey Semiconductors是欧洲领先的CMOS图像传感器的代工生产商。
 

图3:产品演示
 
在这些市场获得的经验为公司用microLED显示设计背板提供了一个重要的开端,特别是在量产方面。此外,LED显示和图像传感器技术的基本原理有许多共同之处:光传感的CMOS传感器组件基本上可被microLED发光元件所取代。驱动和寻址LED的原理是相似的,数据的时钟也是相似的——用于LED和图像传感器。此外,许多功能块是相似的,如果不是完全相同的话。这方面的经验,结合广泛的技术IP,推进了公司发展的下一步:Plessey为潜在的microLED显示制造商授权其生产就绪的氮化镓上硅技术平台。
该公司为microLED技术的发展提出了几个重要步骤,这是已经提供的LED性能相当于通用照明应用的主要技术。该公司已经用100和20微米间距LED阵列证明了自己的能力。100微米microLED竞争者已经存在,而Plessey将在2018年提供20微米版本。100微米的技术竞争者现在也在开发红色和绿色microLED。该公司的深入开发计划旨在应对sub-10-micron像素应用所面临的挑战。
但同时也存在很多问题,针对microLED技术的单片硅上GaN方法不受技术和拾放设备商业生产力问题的影响。总的来说,它可以为这种颠覆性技术提供高质量和高性价比的大规模制造能力,以充分利用目前在一系列显示市场中的重要机会。
www.plesseysemiconductors.com

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