文獻標(biāo)識碼： 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作為一種主動的自發(fā)光器件，從誕生至今已經(jīng)經(jīng)歷了半個多世紀(jì)，由于功耗小、工作電壓低、發(fā)光亮度高、工作壽命長、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)展以及各個行業(yè)對于微型化集成化的應(yīng)用要求越來越高，微型LED陣列器件應(yīng)運而生。該器件是一種結(jié)合了LED的光電特性和微光機電系統(tǒng)(Micro Optical Electric-Mechanical System，MOEMS)工藝技術(shù)的新型器件，它結(jié)合了二者獨有的優(yōu)點，將LED的研究及應(yīng)用推廣到一個全新的、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、個人信息系統(tǒng)及娛樂裝飾等廣闊的領(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)用于儀器的信號數(shù)據(jù)傳送及武器系統(tǒng)和短程光通信等項目。同時,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械式編碼器有著更高的響應(yīng)速度，且可靠性能高，錯碼率低，精度高，堅固耐用，使用范圍較廣，可在任意場合和條件下使用。近些年來微型LED陣列用于通信網(wǎng)絡(luò)中和微顯示器件的光開關(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)玫礁嗟膽?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，因此其材料生長與LED材料生長一樣，如Ⅲ族氮化物L(fēng)ED的材料是采用金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的方法在藍寶石襯底上進行生長的。藍寶石襯底為氮化物微型LED陣列的單元獨立與隔離提供了很理想的平臺。此外，還有AlGaAs等材料用以制作紅色LED器件，其生長是在GaAs襯底上采用MOCVD法進行逐層生長。發(fā)光波長根據(jù)生長過程中對元素的參雜濃度控制實現(xiàn)。通常，材料生長都是在2 inch的襯底上進行，生長完成后，其微型結(jié)構(gòu)是通過MOEMS技術(shù)及半導(dǎo)體制作工藝逐步完成。制作過程包括刻蝕、光刻、鍍膜、電鑄等一系列工藝步驟，每個步驟都會對器件的結(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行P型或者N型電極結(jié)構(gòu)制作，完成后直接進行封裝驅(qū)動。對于GaN型LED陣列器件，通常需要對襯底進行剝離或者將電極結(jié)構(gòu)做在同一側(cè)，如此才可實現(xiàn)驅(qū)動的功能。對于AlGaInP紅光LED陣列器件，無需進行襯底的剝離，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，微型LED陣列器件的研究受到越來越多的關(guān)注。此后，美國、英國、韓國等發(fā)達國家開始投入大量的資本進行微陣列器件的研究，并在近十年取得了可觀的成果。
2004年，英國斯特拉思克萊德大學(xué)光子學(xué)研究院的研究團隊研制出一種矩陣尋址的微型InGaN-LED陣列。 該團隊利用多功能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。通過改變各種刻蝕工藝參數(shù)來控制側(cè)壁的傾斜度，可以用來滿足不同需求的壞境要求。用該工藝可實現(xiàn)各向異性的刻蝕要求，不需要化學(xué)機械拋光，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)為該研究團隊研制出的128×96微顯示陣列[7]。
2008年，帝國大學(xué)的V Poher帶領(lǐng)自己的研究團隊研制出一種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，基本都滿足用以刺激模擬細胞所需的各種條件，同時可以通過單獨尋址的方法實現(xiàn)各個發(fā)光單元的驅(qū)動。圖4中(b)為64×64的藍色LED陣列[8]。
2011年，美國德克薩斯科學(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，通過金屬In將單元與Si基COMS集成電路進行鍵合，實現(xiàn)了單個像素的獨立驅(qū)動，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，國外許多國家在該領(lǐng)域的研究有很多報道，其進展也比較顯著。國內(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年開始，中科院長春光機所的一個研究小組開始致力于微型LED陣列器件的研究，從結(jié)構(gòu)設(shè)計到器件制作都取得了一定的成果。圖7為該小組設(shè)計的微型LED陣列器件結(jié)構(gòu)及驅(qū)動四個單元的實驗測試結(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、藍三色LED進行合成，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陣列器件進行結(jié)合。由于不同波長的光，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材料生長實現(xiàn)三色光的合成。因此需要將三種波長的LED微顯示器件在同一襯底或同一系統(tǒng)中進行集成。
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現(xiàn)同時生長，綠光LED及藍光LED一般是以GaN材料為發(fā)光材料，其晶格參數(shù)與藍寶石襯底比較匹配；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，在同一襯底上同時生長三種顏色的LED材料相對困難。2014年北京半導(dǎo)體所報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側(cè)面，通過在立方體中植入光學(xué)系統(tǒng)，將三種顏色的光進行合成，制作出了全色LED微顯示投影儀。該新穎的方法是對全色LED微顯示器件發(fā)展的一種鼓勵，突破了同一襯底上材料生長及同一驅(qū)動電路上進行三色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LED微顯示行業(yè)發(fā)展的主流，其主動發(fā)光、可靠性強、穩(wěn)定性高等特點使得其應(yīng)用前景越來越廣泛。
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)困難會逐步得到解決，市場化產(chǎn)業(yè)鏈也會逐步形成，其優(yōu)異的性能及市場前景必將在未來幾年之內(nèi)取得突破性的進展，進入越來越多的應(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
[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].長春：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，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)計及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長春：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，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.