Micro-LED芯片显示与驱动技术

【项目介绍】  

1. 痛点问题

Micro-LED又称微型发光二极管，主要是将传统LED芯片微型化，其典型特征尺寸在100微米以下。由于Micro-LED芯片具有高解析度、低功耗、高亮度、高对比度、反应速度快、寿命长等优点，因此成为了新一代显示技术的关键核心器件。目前，Micro-LED芯片应用于新型显示技术主要存在以下两个痛点问题：

（1）Micro-LED芯片的效率问题。主要体现在两个方面：

第一，Micro-LED芯片本身在微缩化制程中导致效率下降，特别是小尺寸芯片，效率下降明显。这种效率下降效应主要是在定义Micro-LED微缩芯片尺寸时的台面刻蚀工艺所引起的。

第二，蓝光Micro-LED芯片激发红绿光量子点实现全彩显示时的能量转换效率问题。蓝光芯片激发长波长发光介质是一种吸收再发射的物理机制，存在多个能量损失的中间过程，因此能量转换效率不高。

（2）Micro-LED芯片的驱动问题。现有主流的显示驱动技术主要采用基于非晶硅（LTPS）和铟镓锌氧（IGZO）的薄膜晶体管（TFT）技术。由于这类非晶薄膜材料受限于载流子迁移率，通常需要较高的电压完成Micro-LED芯片驱动。而高密度的Micro-LED芯片集成将导致显示面板的功耗急剧增加，带来可靠性问题，影响实际产品应用。

2. 解决方案

针对以上Micro-LED芯片的核心痛点问题，主要的解决方案是：

（1）针对台面刻蚀引入的材料界面进行多种修复及钝化技术处理，从而降低材料界面缺陷态，能够最大限度抑制Micro-LED芯片的效率下降问题；

（2）在传统吸收再发射的物理机制中通过引入Micro-LED芯片发光材料与光转换介质间的近距强耦合通道进行直接能量转换，利用复合多通道能量转换方式提升混合芯片的能量转换效率；

（3）将二维过渡金属硫化物MoS2 TFT在高分辨率氮化镓基Micro-LED芯片阵列上进行三维单片集成，利用二维单晶二硫化钼材料卓越的迁移率能力，在较低电压下完成对不同尺寸的Micro-LED芯片工作驱动，从而降低整个Micro-LED芯片阵列的功耗。

3. 竞争优势分析

项目研究成果显示，以上提出的相应的解决方案能够针对性地解决现有Micro-LED芯片的一些痛点问题，较现有技术有比较明显的提升效果。

（1）采用多种修复及钝化技术能够显著提升Micro-LED芯片的发光效率，特别是针对小尺寸Micro-LED芯片，效率提升超过100%。

（2）引入强耦合的直接能量转换通道能够有效提升Micro-LED混合芯片的色转换效率，较传统原理提升20%以上。

（3）MoS2的TFT技术能够与氮化镓基Micro-LED芯片阵列大规模三维单片集成，且工作电压明显低于主流的LTPS和IGZO技术，显示原型验证成功。

4. 市场应用前景

目前主流的平板显示技术主要是液晶显示（LCD）和有机发光二极管显示（OLED）。传统的LCD显示需要利用LED作为背光源发光，通过液晶阵列和多个光学元件而最终产生显示图像。这种方法存在能量损耗高、响应时间慢和可视角度小等问题。另一项OLED显示技术则采用OLED自发光元件，因此每个像素单元都可以进行独立的开关控制。但是，OLED元件本质上是基于有机物材料，虽然在一些柔性和曲面显示方面存在优势，但在器件发光强度和稳定性上的限制也十分明显。相比于LCD和OLED显示技术，Micro-LED显示技术无论从画面品质、效率和能耗，还是从寿命和环境容忍度等各项指标横向比较，均存在显著性能优势。因此，Micro-LED显示技术是业内最为看好的新一代高品质显示技术，应用前景十分广泛，未来有望在可穿戴/消费电子产品、数字高清显示、车载显示、虚拟/增强现实等多种不同应用场景实现大规模应用。