光學(xué)和光子學(xué)技術(shù)在顯示應(yīng)用中迅速發(fā)展。OLED電視是目前最大的商業(yè)市場之一，但MicroLED憑借更快的響應(yīng)時間、更低的功耗、更高的能效和分辨率，被視為下一代LED顯示器。

什么是MicroLED技術(shù)？

MicroLED（μLED）是由氮化銦鎵（InGaN）和磷化鋁鎵銦（AlGaInP）等III-V族化合物（位于元素周期表第三列和第五列）制成的微米級器件。MicroLED是小型、扁平、方形的光源，可以內(nèi)置在具有極高對比度的陣列中。MicroLED顯示器中的每個LED都可充當(dāng)一個像素（紅色、綠色或藍(lán)色），可用于MicroLED電視和其他需要高級顯示器的技術(shù)。

扁平、方形的LED

MicroLED顯示器的工作原理與基于LCD的顯示器不同。傳統(tǒng)的LCD系統(tǒng)使用LED背光和液晶層，后者通過阻擋某些部分的光來創(chuàng)建圖像。相比之下，MicroLED和OLED顯示器都要簡單得多，因為它們不依賴LCD。相反，每個LED都會自己發(fā)射光，從而從每個單獨的像素創(chuàng)建圖像。 

MicroLED是如何制造的？

在理想的場景下，通過單片集成實現(xiàn)的外延生長工藝（即直接在背板上實現(xiàn)LED生長），是MicroLED的最佳制造路徑。不過，這個領(lǐng)域目前正處于發(fā)展階段。企業(yè)正在開發(fā)原型策略，但當(dāng)前執(zhí)行這些方法的成本太高，以至于不具備商業(yè)可行性。

如今，通常使用拾放式轉(zhuǎn)移方法制造MicroLED。在這種方法中，紅色、綠色和藍(lán)色的LED直接在晶圓上制造，然后單獨轉(zhuǎn)移到背板上，而背板包含了基板和控制光所需的電子部件。制造中，需要快速、精確而且可靠的巨量轉(zhuǎn)移工藝，以確保所有LED在背板上都能夠正確對齊。

拾放式轉(zhuǎn)移方法流程

盡管大規(guī)模制造存在一些挑戰(zhàn)，LG、索尼和三星等企業(yè)仍在開發(fā)大型高端MicroLED電視。當(dāng)然，在它們面向消費(fèi)者推出之前，仍需要解決許多設(shè)計和規(guī)模挑戰(zhàn)。目前，由于耗時且成本高昂的拾放式制造流程，這些電視的成本非常高昂。

MicroLED制造面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)

MicroLED技術(shù)尚未成熟，設(shè)計人員可以在制造流程中采用許多不同的半導(dǎo)體制造方法。開發(fā)人員在MicroLED設(shè)計中的一些關(guān)鍵考慮因素包括：

• 大規(guī)模像素陣列在宏觀層面的非相干發(fā)射。為了避免這種情況，設(shè)計人員可以使用濾光片、透鏡、顏色轉(zhuǎn)換層、散射結(jié)構(gòu)、偏光片和光柵等其他光學(xué)元件來改進(jìn)顯示器的顏色定義。
• 小尺寸LED具有更嚴(yán)格的公差要求。尺寸變化和未對齊的公差對于小型LED來說變得更加嚴(yán)格，尤其是在像素密度增加的情況下。
• 如果LED邊緣存在原子尺度缺陷和結(jié)構(gòu)不完善，會導(dǎo)致器件內(nèi)部效率下降。
• 為了適應(yīng)不斷縮小的子像素尺寸，對高度緊湊、節(jié)能且復(fù)雜的薄膜晶體管（TFT）驅(qū)動器的需求正在增加。子像素包含了在顯示器中創(chuàng)建顏色所需的RGB元素，因此TFT必須快速準(zhǔn)確地控制每個像素，
• 以避免在生產(chǎn)的任何階段可能出現(xiàn)的缺陷。即使是制造過程本身，也仍然可能產(chǎn)生死像素，因此必須對這些問題加以考慮。

MicroLED與其他LED技術(shù)有何不同？

近年來，OLED顯示器和OLED技術(shù)已成為黃金標(biāo)準(zhǔn)，但它們與MicroLED有何不同？有許多不同的指標(biāo)可用于衡量OLED、MicroLED、LCD和mini-LED性能。總體來說，MicroLED技術(shù)的結(jié)構(gòu)更簡單，可生成更高質(zhì)量的圖像，因為它具有更高的對比度和更快的響應(yīng)時間。此外，MicroLED顯示器也可以像OLED顯示器一樣制作成柔性的。

MicroLED憑借以下優(yōu)勢，從其他LED技術(shù)中脫穎而出：

• 更小、更明亮的像素，具有改進(jìn)的色域。MicroLED的亮度超過100,000 nits，而OLED的亮度為500-1,000 nits，LCD的亮度為3,000 nits。一些MicroLED顯示器的亮度級可能超過250,000 nits。更高的亮度不會導(dǎo)致效率下降、老化或不利的熱效應(yīng)。
• 從理論上說，其外量子效率（EQE）比OLED提高了10%左右
• 使用壽命更長，因為無機(jī)材料制成的LED相較于有機(jī)材料制成的LED更具耐久性。
• 抗氧化和其他環(huán)境影響
• 更寬的工作溫度范圍（-100至120°C）
• 在陽光下更好的可見性和更廣的可視角度
• 納秒級的快速響應(yīng)時間，而其他顯示器的響應(yīng)時間為微秒或毫秒級
• MicroLED（在藍(lán)光LED應(yīng)用方面）有望成為QLED電視內(nèi)部量子點發(fā)光的光源

MicroLED有哪些應(yīng)用？

盡管MicroLED尚未達(dá)到商業(yè)成熟階段，但其相較于其他LED技術(shù)在亮度、柔性、圖像質(zhì)量及使用壽命等方面的顯著性能提升，已使其得以應(yīng)用于多種先進(jìn)顯示技術(shù)領(lǐng)域。一些主要的MicroLED使用示例包括：

• 智能手表和健身手環(huán)等可穿戴技術(shù)
• MicroLED電視
• 增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）眼鏡和耳機(jī)
• 汽車和航空航天行業(yè)的抬頭顯示器（HUD）
• 中央集群顯示器
• 汽車前照燈
• 高速光通信
• 柔性可拉伸的顯示器

使用Ansys進(jìn)行MicroLED仿真

工程師可以首先通過仿真方法來可視化LED或顯示器的工作表現(xiàn)，以克服MicroLED中的諸多設(shè)計挑戰(zhàn)。Ansys提供了一系列工具，可用于在進(jìn)行物理制造之前對MicroLED性能進(jìn)行仿真：

Ansys Lumerical STACK求解器：對MicroLED中的不同材料層進(jìn)行仿真，以顯示光是如何反射、折射和透射的。STACK求解器還可計算LED的發(fā)射功率和功率密度。

Ansy Lumerical FDTD求解器：對LED的遠(yuǎn)場發(fā)射方向圖和提取效率進(jìn)行仿真。FDTD求解器還可以與Ansys Speos設(shè)計工具配合使用，計算錐光坐標(biāo)中的光譜強(qiáng)度。

Ansys Lumerical CHARGE和Ansys Lumerical MQW求解器：對LED的電流-電壓（I-V）曲線、自發(fā)發(fā)射功率頻譜和內(nèi)部量子效率進(jìn)行仿真。

Ansys Lumerical求解器工作流程概覽

Ansys Speos軟件：使用來自Lumerical套件求解器的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)執(zhí)行系統(tǒng)級仿真，并充當(dāng)虛擬光度實驗室。利用該工具，工程師可以檢查全色域并執(zhí)行輻射測試。