LED与Micro LED显示技术

LED 与Micro LED显示技术

LED显示原理

参考资料：1.视频资料 2.PPT文档

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1 LED工作原理

1.1 LED的发光原理

LED是PN节中载流子复合形成激子，最终激子发光导致的。

\[\lambda(nm)=\frac{1240}{E_{g}(eV)} \]

空穴和电子在复合时的能隙差（取决于材料）将决定最终发出光的波长的长短，具体的计算公式如上。在此的能隙必须为直接能隙，如下图：

图1 半导体能隙

找出导电带能系最高点和价电带半导体能系最低点，若两点在能带图中同一个K值（同一动量）的地方则为直接能隙，否则则为间接能隙。具备直接能隙的半导体容易在载流子复合时发光，间接能隙中能量大部分将以热的形式散发掉。

1.2 LED的发光效率

空穴与电子复合的发光效率（内部量子效率）也并非是100%，其将满足ABC模型

\[\eta_{int}=\eta_{inj}×\eta_{rad}\\ =\eta_{inj}×\frac{Bn^2}{An+Bn^2+Cn^3} \]

其中\(\eta_{inj}\)为载流子由外界注入内部的效率（注入效率），\(\eta_{rad}\)为电子与空穴复合后，以辐射放出光的效率（辐射复合效率），

图2 空穴与电子的发光效率

该效率可用ABC表示，$n$为载流子浓度。A表示表面缺陷和晶体内部缺陷相关的复合机制，B辐射放光方式所复合的途径，C为三电子或电动之间相互作用的关系。以上的模型又称为ABC模型。ABC三种参数中，仅有B属于辐射式的放光，因此，当且仅当此途径才能作为有效发光效率，在制备时必须提高该途径的发光效率。

1.3 LED的结构及优缺点

图3 蓝光LED的结构

LED分为红绿蓝三基色，此处的蓝色LED以蓝宝石基板制备，其他部分的金属都是具有直接能隙的半导体材料，这样才容易激发出光子。 目前的LED发光已经用于多个场景，它具有一些列的优势： 1,该方法是自发光型的，不需要背光面板且发光效率高； 2，响应时间很短，可应用高更新率的器件； 3，LED元件寿命很长，可实现高强度的放光； 4，可用镭射切割将LED切割，实现更小体积的LED器件发光 5，色纯度高，不需要滤波片都可。

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2 LED显示应用

因为液晶显示器不会反光，因此需要背光模组去产生光发光，背光模组大部分使用LED去制备，包含侧入式，直下式

图4 LED作为背板发光方式

侧入式时，LED贴附在导光板的侧面，导入后借由导光板的微结构设计将光均匀扩散在背光模组上。目前更多使用直下式的背光模组，借由导光板的设计直接扩散。 在直接制程显示屏幕上，LED也同样有使用，如下，如果找到合适的材料，可以制备像下图般的RGB三色光谱，随后将他们交错排列，就可以制备对应的LED显示屏。

图5 LED发光方式

图3曾展示LED的结构，该结构是LED单个的，针对彩色显示，目前多采用将三色LED封装在一起，形成单个像素的封装结构。

图6 LED封装

封装的方法有很多，目前用得比较多的为Lamp，SMD，TOP—LED等。封装固定后将内部晶片点击接引导外部电路。

LED显示应用场景有很多，包含室外显示器和室内显示器都有，其最大的特点即高亮度，可拼接，且可将驱动电极和驱动芯片放置在显示器后面，对显示器则可以做到无边框，可以将其镭射切割，实现曲面化贴附等效果，可随自己的需求调节尺寸。其像素与像素之间的点距越小，同面积内可容纳LED点数就更多，解析度更高，对于像素中心点距为4mm，则表示为P4，其他则对应。如果视网膜可识别最短间距大于像素间距，则可看到连续的一幅图片。目前希望能制造更大的PPI，需要更小的间距，需要的成本和更小的LED封装技术，且要确保RGB三色品质的一致性，避免色度的不统一。

3 Micro-LED的显示技术

上述所提LED的显示再进行尺寸的微缩，其实就是Micro-LED，Micro—LED的尺寸极小，一般是小于50um，目前已经能做到几um的，同时它兼具了LED所具备的所有优势，比如自发光，发光效率高，反应时间短，，寿命长，发光强度高，色度纯等特点。同时可实现超高解析度，在Micro-LED的像素间距缩小的情况下，它可实现高达15000PPI像素密度（每英寸屏幕所拥有的像素数量，像素密度越大，显示画面细节就越丰富）。

图7 Micro-LED的制备

因为Micro-LED尺寸已经缩小到人无法手动去进行拼接的过程，不能像LED这样按照进行RGB三元素的固定，随后在进行拼接。可采取的方法是，先制备驱动背板和驱动芯片，在两者固定的背板上转移LED晶圆，在转移时必须要保障转移后的每个像素对应驱动面板上每个像素的驱动电路位置，这因此在转移之后还要进行检查和修复。

目前的转移技术已经有了很大的进步，像印章转移，镭射转移，静电转移和磁力转移等，可根据实际情景做出自己的假设，从而提高产品良率。
Micro-LED尺寸的大小与发光效率有关，在之前关于LED存在ABC模型，该模型中提及，B辐射放光的途径将决定发光效率，A表示表面缺陷和晶体内部缺陷相关的复合机制，我们更加希望B发光效率更大，而A影响比较小，但将LED模块进行切割变小时，所切出的镜面肯定不会是绝对光滑的，切割过程中将增大缺陷面的占比，增大晶体的表面缺陷，从而影响发效率，致使Micro-LED的发光效率变小，从而制约了Micro-LED的使用。

因而Micro-LED实际上还存在着许多制约，包括像转移效率，对准精度，转移良率，最终呈现的颜色均匀度等，但是它强大的发光强度和极高的像素密度制程支持使得人们不断去追捧，目前发展可观。