文獻標識碼： 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陣列器件的發展及應用[J].電子技術應用，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光器件，從誕生至今已經經歷了半個多世紀，由于功耗小、工作電壓低、發光亮度高、工作壽命長、性能穩定、可在極端的環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用。隨著LED技術的發展以及各個行業對于微型化集成化的應用要求越來越高，微型LED陣列器件應運而生。該器件是一種結合了LED的光電特性和微光機電系統(Micro Optical Electric-Mechanical System，MOEMS)工藝技術的新型器件，它結合了二者獨有的優點，將LED的研究及應用推廣到一個全新的、更加廣泛的新穎領域[1]。
微型LED陣列器件是在外延生長的同一發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。它可以應用于顯示、軍事、通信、航空航天、衛星定位和情報系統、野外作業、儀器儀表、掌中電腦、刑事、醫學、消防、個人信息系統及娛樂裝飾等廣闊的領域[2]。
微型LED陣列器件還可以作為傳輸數據通信的光源以提高系統的響應速率和抗干擾性，應用于儀器的信號數據傳送及武器系統和短程光通信等項目。同時,也能用于光電傳感器和光電數據編碼器等，這種新型的光電數據編碼器比之前所用的機械式編碼器有著更高的響應速度，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陣列用于通信網絡中和微顯示器件的光開關制作已得到論證[3，4]。這種器件在微顯示領域、航空航天及其他領域將會得到更多的應用。其主要研究的方向及應用領域如圖1所示[5]。
1 微型LED陣列器件的結構、制作及特征
微型LED器件是在LED芯片上采用微工藝技術制作而成，因此其材料生長與LED材料生長一樣，如Ⅲ族氮化物LED的材料是采用金屬有機化學氣相沉積（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。發光波長根據生長過程中對元素的參雜濃度控制實現。通常，材料生長都是在2 inch的襯底上進行，生長完成后，其微型結構是通過MOEMS技術及半導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構及性能起到關鍵性的影響作用。以GaN基LED微陣列器件為例，其主要結構如圖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，一種是在預先選好的襯底上制作完成P型或N型電極結構，接著將微型LED單元與帶電極結構的襯底進行鍵合，再做剩余電極結構，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型電極結構制作，完成后直接進行封裝驅動。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構做在同一側，如此才可實現驅動的功能。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。其結構圖如圖3所示[6]。
2 微型LED陣列器件的發展歷程
自1998年德國亞琛工業大學的研究小組在AlGaInP材料上采用ICP刻蝕技術制作出微結構以來，微型LED陣列器件的研究受到越來越多的關注。此后，美國、英國、韓國等發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光子學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，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來控制側壁的傾斜度，可以用來滿足不同需求的壞境要求。用該工藝可實現各向異性的刻蝕要求，不需要化學機械拋光，采用這種方法制作出具有良好的光學及電學及隔離的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，帝國大學的V Poher帶領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各個發光單元的驅動。圖4中(b)為64×64的藍色LED陣列[8]。
2011年，美國德克薩斯科學技術大學的研究小組在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，實現了單個像素的獨立驅動，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。其陣列結構及顯示效果如圖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域的研究有很多報道，其進展也比較顯著。國內在該領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陣列結構及用于顯示的圖形[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，從結構設計到器件制作都取得了一定的成果。圖7為該小組設計的微型LED陣列器件結構及驅動四個單元的實驗測試結果[11]。
以上的研究結果均是基于單色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陣列器件進行結合。由于不同波長的光，其發光材料的性能及參數各不相同，因此不能在同一襯底上通過材料生長實現三色光的合成。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中進行集成。
目前， LED微陣列器件應用最廣泛的領域便是微顯示器件的研究及制作。微顯示器件可以應用于很多領域，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用領域[5]。
微顯示器件的發展經歷了單色至全色的研究歷程，關于單色微顯示器件在微陣列LED器件的發展歷程中已經作了介紹，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同時生長，綠光LED及藍光LED一般是以GaN材料為發光材料，其晶格參數與藍寶石襯底比較匹配；而紅光LED是以AlGaInP材料為主要發光材料，其晶格參數與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，其結構及驅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面，通過在立方體中植入光學系統，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微顯示器件發展的一種鼓勵，突破了同一襯底上材料生長及同一驅動電路上進行三色LED器件的排列困難。圖10給出了其制作的微型LED投影儀的結構圖，圖11為該微型LED投影儀投影顯示的圖像[13]。
全色LED微顯示器件的發展必將成為LED微顯示行業發展的主流，其主動發光、可靠性強、穩定性高等特點使得其應用前景越來越廣泛。
3 總結與展望
LED微陣列器件的發展從單色至全色已經發生了實質性的突破，在技術研究方面已經取得了顯著的成果。但LED微陣列器件目前尚處于科研階段，市場化的產品較少。隨著科技的發展，LED微陣列器件的技術困難會逐步得到解決，市場化產業鏈也會逐步形成，其優異的性能及市場前景必將在未來幾年之內取得突破性的進展，進入越來越多的應用領域，為人民的生活提供更多的便利與服務。
參考文獻
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