在美國加州聖荷西(San Jose, California)舉行的2019年度Display Week大會上,法國研究機構Leti展示了一種採用CMOS製程的氮化鎵(GaN) MicroLED顯示器新技術。該技術顯著簡化了傳輸步驟,突破了應用的顯示器尺寸限制,從智慧手錶到大尺寸電視面板都能應用該技術。

這種新技術能在CMOS驅動電路上,製造一體化紅、綠和藍(RGB) MicroLED基本單元(Elementary unit),再轉移到簡單的接收基板上,以全半導體晶圓級方法製作MicroLED基本單元。Leti表示,與現有LCD和OLED技術相比,MicroLED顯示器可以提供卓越的影像品質和省電效能,但目前存在很大的商業化障礙,其中最大的挑戰之一是改善驅動電子元件的性能。

MicroLED顯示器需要更高功率來提供更明亮的影像,還需要更快的速度以支援不斷提升的高解析度需求,這要求電子元件速度更快,以在固定訊框時間(frame time)內啟動數百萬畫素供電,而現有的TFT主動矩陣顯示技術無法提供必要的電流和速度。

Leti的新技術以簡化的轉移製程(transfer process)製作高性能GaN MicroLED顯示器,無需使用TFT背板。其原理是,製造一系列基本單元,並將它們轉移到僅包含行/列導電線路的接收基板上,每個基本單元均由CMOS驅動電路上的一體化RGB MicroLED組成,再被轉移到接收基板的一個畫素上。

接收部分不採用TFT背板,而是採用一種簡單、低成本的行/列導電線路接收基板。對每個畫素來說,僅需要一次轉移而不是傳統的三次或四次轉移;簡而言之,這種新技術是將CMOS優良的驅動電子和簡易轉移製程(每個畫素只須轉移一次)的結合。

因此RGB MicroLED是直接堆疊在微CMOS電路上形成一個單元,每個單元再被轉移到簡單的接收基板上,從而在單個半導體生產線上製造RGB MicroLED和背板(參考下圖)。

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圖中上半部顯示Leti開發出以CMOS為基礎製造MicroLED顯示器的新製程;下半部是CMOS驅動電路與一體化RGB LED組成的基本單元。
(圖片來源:Leti)

Leti表示,採用CMOS的優勢包括元件性能、高整合度以及MicroLED直接堆疊在電路上的短距離連結,而且它還提供了極佳的填充率(fill ratio)──也就是相對於總畫素區域,MicroLED與電子元件所佔據的表面積最小;因此這種方法可以實現最大化的透明區域,也成為實現透明顯示器的理想選擇。

該新製程的另一個優勢,在於其基本單元可以內建發光以外的其他功能,例如影像感測;其他只要能用CMOS技術生產的功能,就可以添加至基本單元。

CEA-Leti光子元件戰略行銷經理Fran?ois Templier表示:「這個新製程目前在概念驗證階段,正在為高性能MicroLED顯示器的商用化鋪路;」他補充,以CMOS為基礎的新技術能實現更高亮度和更高解析度的MicroLED,將為超大型電視市場帶來顛覆性的變化。

針對以上技術,CEA-Leti也在Display Week 2019期間發表了一篇題為「製造高性能MicroLED顯示器新方法」(A New Approach for Fabricating High-Performance MicroLED Displays)的論文。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年7月號;責編:Judith Cheng

(參考原文: Leti Designs GaN MicroLEDs for Smartwatches, TVs ,by Nitin Dahad)