【学习笔记】传感器技术（8）：微型LED阵列器件的发展及应用
摘 要： LED型微阵列器件作为一种全固态的主动发光器件，拥有工作电压低、发光效率较高、响应速度快、性能稳定可靠、工作温度范围宽等优点。在同一芯片上集成LED阵列技术可以很好地满足自发光微显示、照明及通信等应用需求。目前，国内外在LED微阵列器件方面的研究进展十分迅速。回顾了LED微阵列器件的国内外研究进展及其潜在应用，并对LED微阵列器件未来的发展方向及应用领域作了展望。
0 引言
LED作为一种主动的自发光器件，从诞生至今已经经历了半个多世纪，由于功耗小、工作电压低、发光亮度高、工作寿命长、性能稳定、可在极端的环境下工作而性能衰减很小等特点使之得到了非常广泛的应用。随着LED技术的发展以及各个行业对于微型化集成化的应用要求越来越高，微型LED阵列器件应运而生。该器件是一种结合了LED的光电特性和微光机电系统(Micro Optical Electric-Mechanical System，MOEMS)工艺技术的新型器件，它结合了二者独有的优点，将LED的研究及应用推广到一个全新的、更加广泛的新颖领域[1]。
微型LED阵列器件是在外延生长的同一发光二极管芯片上集成高密度微小尺寸的二维阵列，或者在同一外延基片材料上进行高密度集成排列的微小尺寸的高亮度发光二极管管芯的二维阵列，厚度仅维持在几百微米。它可以应用于显示、军事、通信、航空航天、卫星定位和情报系统、野外作业、仪器仪表、掌中电脑、刑事、医学、消防、个人信息系统及娱乐装饰等广阔的领域[2]。
微型LED阵列器件还可以作为传输数据通信的光源以提高系统的响应速率和抗干扰性，应用于仪器的信号数据传送及武器系统和短程光通信等项目。同时,也能用于光电传感器和光电数据编码器等，这种新型的光电数据编码器比之前所用的机械式编码器有着更高的响应速度，且可靠性能高，错码率低，精度高，坚固耐用，使用范围较广，可在任意场合和条件下使用。近些年来微型LED阵列用于通信网络中和微显示器件的光开关制作已得到论证[3，4]。这种器件在微显示领域、航空航天及其他领域将会得到更多的应用。其主要研究的方向及应用领域如图1所示[5]。
1 微型LED阵列器件的结构、制作及特征
微型LED器件是在LED芯片上采用微工艺技术制作而成，因此其材料生长与LED材料生长一样，如Ⅲ族氮化物LED的材料是采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）的方法在蓝宝石衬底上进行生长的。蓝宝石衬底为氮化物微型LED阵列的单元独立与隔离提供了很理想的平台。此外，还有AlGaAs等材料用以制作红色LED器件，其生长是在GaAs衬底上采用MOCVD法进行逐层生长。发光波长根据生长过程中对元素的参杂浓度控制实现。通常，材料生长都是在2 inch的衬底上进行，生长完成后，其微型结构是通过MOEMS技术及半导体制作工艺逐步完成。制作过程包括刻蚀、光刻、镀膜、电铸等一系列工艺步骤，每个步骤都会对器件的结构及性能起到关键性的影响作用。以GaN基LED微阵列器件为例，其主要结构如图2所示[5]。
如图2所示，LED微阵列器件的制作方式可以有两种，一种是在预先选好的衬底上制作完成P型或N型电极结构，接着将微型LED单元与带电极结构的衬底进行键合，再做剩余电极结构，最后封装；另一种方法是在完成隔离的微阵列器件上直接进行P型或者N型电极结构制作，完成后直接进行封装驱动。对于GaN型LED阵列器件，通常需要对衬底进行剥离或者将电极结构做在同一侧，如此才可实现驱动的功能。对于AlGaInP红光LED阵列器件，无需进行衬底的剥离，电极可直接做在两侧。其结构图如图3所示[6]。
2 微型LED阵列器件的发展历程
自1998年德国亚琛工业大学的研究小组在AlGaInP材料上采用ICP刻蚀技术制作出微结构以来，微型LED阵列器件的研究受到越来越多的关注。此后，美国、英国、韩国等发达国家开始投入大量的资本进行微阵列器件的研究，并在近十年取得了可观的成果。
2004年，英国斯特拉思克莱德大学光子学研究院的研究团队研制出一种矩阵寻址的微型InGaN-LED阵列。 该团队利用多功能ICP刻蚀系统，用SiO2、光刻胶或金属作为掩膜层，利用ICP刻蚀制作出倒梯形的隔离沟槽。通过改变各种刻蚀工艺参数来控制侧壁的倾斜度，可以用来满足不同需求的坏境要求。用该工艺可实现各向异性的刻蚀要求，不需要化学机械抛光，采用这种方法制作出具有良好的光学及电学及隔离的LED阵列，一致性和均匀性很高[7]。图4中(a)为该研究团队研制出的128×96微显示阵列[7]。
2008年，帝国大学的V Poher带领自己的研究团队研制出一种LED微型阵列并将其用于二维神经元的刺激模拟。这种LED微型阵列的像素尺寸在微米的量级，基本都满足用以刺激模拟细胞所需的各种条件，同时可以通过单独寻址的方法实现各个发光单元的驱动。图4中(b)为64×64的蓝色LED阵列[8]。
2011年，美国德克萨斯科学技术大学的研究小组在GaN基材料上制作出640×480个像素单元的微显示集成LED阵列。该研究小组采用倒装的方法，通过金属In将单元与Si基COMS集成电路进行键合，实现了单个像素的独立驱动，且像素大小仅为12 μm×12 μm，像素间距仅为3 μm。该研究成果是目前研究报道中像素尺寸最小、集成度最高的微型LED阵列器件。其阵列结构及显示效果如图5所示[9]。
除以上介绍的研究成果以外，国外许多国家在该领域的研究有很多报道，其进展也比较显著。国内在该领域的研究虽然起步较晚，但在近几年研究也取得一定的收获。2013年，香港科技大学的研究小组成功制作出30×30的绿光LED阵列，像素大小为100 μm，像素间距为140 μm。图6为该小组研制出的微型LED阵列结构及用于显示的图形[10]。
从2006年开始，中科院长春光机所的一个研究小组开始致力于微型LED阵列器件的研究，从结构设计到器件制作都取得了一定的成果。图7为该小组设计的微型LED阵列器件结构及驱动四个单元的实验测试结果[11]。
以上的研究结果均是基于单色LED微阵列器件的研究，随着科技的进步，全色及白光集成LED微阵列器件的研究必将引起新的关注。众所周知，全色微阵列器件需要红、绿、蓝三色LED进行合成，这三种单色微型LED阵列器件的研究已经取得了很大的进步，而白光微显示器件的研究需将这三种颜色的微型LED阵列器件进行结合。由于不同波长的光，其发光材料的性能及参数各不相同，因此不能在同一衬底上通过材料生长实现三色光的合成。因此需要将三种波长的LED微显示器件在同一衬底或同一系统中进行集成。
目前， LED微阵列器件应用最广泛的领域便是微显示器件的研究及制作。微显示器件可以应用于很多领域，诸如微型投影仪、DLP、头戴显示器、汽车仪表盘等。图8给出了目前LED微显示器件的主要应用领域[5]。
微显示器件的发展经历了单色至全色的研究历程，关于单色微显示器件在微阵列LED器件的发展历程中已经作了介绍，而全色LED微阵列器件的研究则基于红、绿、蓝三种LED微阵列器件的合成。由于材料的性能差别，三种颜色的芯片不能实现同时生长，绿光LED及蓝光LED一般是以GaN材料为发光材料，其晶格参数与蓝宝石衬底比较匹配；而红光LED是以AlGaInP材料为主要发光材料，其晶格参数与GaAs衬底较匹配，因此，在同一衬底上同时生长三种颜色的LED材料相对困难。2014年北京半导体所报道了采用排列键合法制作出了全色LED微显示器件，其结构及驱动全色显示图像如图9所示[12]。
除此方法以外，香港科技大学的一研究小组将三色微型LED阵列分别置于立方体的三个侧面，通过在立方体中植入光学系统，将三种颜色的光进行合成，制作出了全色LED微显示投影仪。该新颖的方法是对全色LED微显示器件发展的一种鼓励，突破了同一衬底上材料生长及同一驱动电路上进行三色LED器件的排列困难。图10给出了其制作的微型LED投影仪的结构图，图11为该微型LED投影仪投影显示的图像[13]。
全色LED微显示器件的发展必将成为LED微显示行业发展的主流，其主动发光、可靠性强、稳定性高等特点使得其应用前景越来越广泛。
3 总结与展望
LED微阵列器件的发展从单色至全色已经发生了实质性的突破，在技术研究方面已经取得了显著的成果。但LED微阵列器件目前尚处于科研阶段，市场化的产品较少。随着科技的发展，LED微阵列器件的技术困难会逐步得到解决，市场化产业链也会逐步形成，其优异的性能及市场前景必将在未来几年之内取得突破性的进展，进入越来越多的应用领域，为人民的生活提供更多的便利与服务。
参考文献
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