2. 西安交通大学
Micro Light Emitting Diode
一．Micro-LED 概述
二．Micro-LED 技术及产业发展史
三．Micro-LED 实现彩色的方法
四．Micro-LED 驱动
五．Micro-LED 应用
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18. 西安交通大学
Micro Light Emitting Diode
一．Micro-LED 概述
二．Micro-LED 技术及产业发展史
三．Micro-LED 实现彩色的方法
四．Micro-LED 驱动
五．Micro-LED 应用
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Micro LED技术和产业发展史
一、 mrcro-LED发展历史（2016）
当前micro-LED display主要有两种趋势
一个是索尼公司的主攻方向一一小间中大尺寸高分辨率的室内/外显示屏。
另一种则是芋果公司正在推出的可穿戴设备(如Apple Watch) ，该类设备的显示部分要求分辨率高、便携
性强、功耗低亮度高，而这些正是micro-LED的优势所在。
1. 2001年日本Satoshi Takano团队公布了他们的研究的一组micro-LED了阵列。
该阵列采用无源驱动方式，且使用打线连接像素与驱动电路，并将红绿蓝三个LED心片放置在同一个硅
反射器上，通过 RGB的方式实现彩色化。该阵列虽初见成效，但也有着不容忽视的缺点，其分辨率与
可靠性都还很低，不同LED的正向导通电压差别比较大世[1]。
2. 同年，H. X. Jiang团队也同样做出了一个无源和矩
驱动的10x10 micro-LEDarray。
这个阵列创新性的使用四个公共n电极和100个独立p电极。并
采用复杂的版图设计以尽量最优化连线布局。昌然显示效果
有一定的进步，但没有解决集成能力低的问题吕[2]。
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Micro LED技术和产业发展史
3. 2006年由香港科技大学团队
同样采用无源驱动，使用倒装焊技术集成Micro-LED 阵列B]。但是同一
行像素的正向导通电压也差别比较大，而且当该列亮起的像素数目不
同时，像素的亮度也会受到影响，亮度的均匀性还不够好[3] 。
4. 2008年
Z. Y. Fan团队：无源驱动的120x120的微阵列，其忆片尺十为
3.2mmx3.2mm，像素尺寸为20x12hm，像素间隔为22hm。尺十方
面已经明显得到优化，但是，依然需要大量的打线，版图布局
仍然十分复杂[4]。
Z. Gong团队采用无源矩阵驱动，并使用倒装焊拉术集成。该团
队做出了蓝光(470nm ) micro-LED 阵列和UV micro-LED (370nm) 阵
列，并成功通过 UV _ LED 阵列激发了绿光和红光量子点证明了
量子点彩色化方式的可行性口[5]。
B. R. Rae团队成功集成了Si-CMOS电路，该电路可为UV LED提供
合适的电脉冲信号，并集成了SPAS (single photo avalanche diode )
探测器，主要应用于在便携式荧光寿命读写器。然而其驱动能
力比较弱，且工作电压很高[6] 。
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Micro LED技术和产业发展史
5. 2009-2010年，香港科技大学
Z. Liu所在团队利用UV micro-LED 阵列激发红绿蓝三色荧光粉，得到了全彩色的微LED显示芯片[7] 。2010
年该团队分别利用红绿蓝三种LED外延片制备出360 PPl的微LED显示芯片[8]，并把三个芯片集成在一起实
现了世界上首个去背光源化的全彩色微LED投影机上[9] .
之后，Z.上Liu所在的香港科技大学团队与中山大学团队合力将微LED显示的分状率提高到1700 PPI，像素
点距缩小到12微米，采用无源选址方式+倒装焊封装技术[10]。与此同时他们还成功制备出分辨率为846
PPI的WQVGA有源选址微LED显示芯片，并在该芯片中集成了光通讯功能[11].
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Micro LED技术和产业发展史
Major Challenges for -LED
Source: Display Daily (11/30/17)
1. Mass Transfer Yield
2. Color & brightness uniformity 4. Price/m2
55” 4K TV: Pitch 0.34 mm
10X reduction
3. Lower EQE
F. Olivier, et al. SID 48, 353
(2017)
I. Kymissis, ICDT Seminar 4 (2018)
K.M. Lau, ICDT Plenary 15 (2018)
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Micro LED技术和产业发展史
Samsung mLED/QLED TVs
Samsung QLED + Mini-LED Backlight LGD OLED TV
Local dimming zones:
1. 65” 4K TV: 100-500
2. 85” 8K TV: 10,000
3. Unnoticeable halo effect
OLED:
1. Slightly darker black state
2. Color gamut?
3. Brightness?
Ken Werner, Display Daily (1/18/2018)
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Micro Light Emitting Diode
一．Micro-LED 概述
二．Micro-LED 技术及产业发展史
三．Micro-LED 实现彩色的方法
四．Micro-LED 驱动
五．Micro-LED 应用
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Micro LED实现彩色的方法
一、 RGB三色LED法
RGB-LED全彩显示显示原理主要是基于三原色（红、绿、蓝）调色基本原理。众所周知，RGB三
原色经过一定的配比可以合成自然界中绝大部分色彩。同理，对红色-、绿色-、蓝色-LED，施以
不同的电流即可控制其亮度值，从而实现三原色的组合，达到全彩色显示的效果，这是目前LED
大屏幕所普遍采用的方法[1]。
在RGB彩色化显示方法中，每个像素都包含三个RGB三色LED。一般采用键合或者倒装的方式将
三色LED的P和N电极与电路基板连接，具体布局与连接方式如图1所示[2]。
图1 RGB全彩色显示的单像素布局示意图
图2 RGB全彩色显示驱动原理示意图
使用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制(PWM)电流驱动，PWM电流驱动方式可以通
过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。例如一个8位PWM全彩LED驱动芯片，理论上可以实
现256*256*256=16,777,216种调光效果，即16,777,216种颜色显示。
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33. 西安交通大学
Micro LED实现彩色的方法
二、 UV/蓝光LED+发光介质法
UV LED（紫外LED）或蓝光LED+发光介质的方法可以用来实现全彩色化。其中若使用UV micro-
LED, 则需激发红绿蓝三色发光介质以实现RGB三色配比; 如使用蓝光micro-LED则需要再搭配红色
和绿色发光介质即可，以此类推。
发光介质一般可分为荧光粉与量子点（QD: Quantum Dots）。纳米材料荧光粉可在蓝光或紫外光
LED的激发下发出特定波长的光，光色由荧光粉材料决定且简单易用，这使得荧光粉涂覆方法广
泛应用于LED照明，并可作为一种传统的micro-LED彩色化方法。
荧光粉涂覆一般在micro-LED与驱动电路集成之后，再通过旋涂或点胶的方法涂覆于样品表面。
图3则是一种荧光粉涂覆方法的应用，其中（a）图显示一个像素单元中包含红绿蓝4个子像素，
图（b）则显示了micro-LED点亮后的彩色效果[3]。
图3 荧光粉彩色化micro-LED的像素设计及显示效
果
该方式直观易懂却存在不足之处，
a) 其一荧光粉涂层将会吸收部分能量，
降低了转化率；
b) 其二则是荧光粉颗粒的尺寸较大，约
为1-10微米，随着micro-LED 像素尺
寸不断减小，荧光粉涂覆变的愈加不
均匀且影响显示质量,而这让量子点技
术有了大放异彩的机会。
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Micro LED实现彩色的方法
三、 光学透镜合成法
透镜光学合成法是指通过光学棱镜（Trichroic Prism）将RGB三色micro-LED合成全彩色显示。具
体方法是是将三个红、绿、蓝三色的micro-LED阵列分别封装在三块封装板上，并连接一块控制
板与一个三色棱镜。
之后可通过驱动面板来传输图片信号，调整三色micro-LED阵列的亮度以实现彩色化，并加上光
学投影镜头实现微投影。整个系统的实物图与原理图如图6所示，显示效果如图7所示[6]。
图6棱镜光学合成法的a), b) 实
物图，c) 原理示意图
图7棱镜光学合成法的显示效果
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Micro Light Emitting Diode
一．Micro-LED 概述
二．Micro-LED 技术及产业发展史
三．Micro-LED 实现彩色的方法
四．Micro-LED 驱动
五．Micro-LED 应用
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Micro LED驱动技术
1. 无源选址驱动
(PM : Passive Matrix，又称无源寻址、被动寻址、无源驱动等等)
① 阵列中每一列的LED像素的阳极(P-electrode) 连接到列扫拉线(Data
Current Source) ，同时把每一行的LED像素的阴极(N-electrode) 连接到
行扫描线(Scan Line)。
② 当某一特定的第Y列扫摘线和第X行扫描线被选通的时候，其交叉点(X，
Y)的LED像素即会被点亮。整个屏幕以这种方式进行高速逐点扫描即
可实现显示画面，如图1所示，[1, 2]。
不足之处：
① 扫描方式结构简单，较为容易实现。但不足之处是连线复杂(需要 X+Y根连线) ，寄生电阻电容大导
致效率低，像素上发光时间短(1场/XY)从而导致有效亮度低，像素之间容易串扰，并且对扫描信号的
频率需求较高。
另外一种优化的无源选址驱动方式是在列扫描部分加入锁存器，其作用是把某一时刻第X 行所有像素的列
扫描信号(Y1 Y2… … Yn)提前存储在锁存器中。当第X 行被选通后，上述的Y1-Yn信号同时加载到像素上[3]。
这种驱动方式可以降低列驱动信号频率，增加显示画面的亮度和质量。但仍然无法克服无源选址驱动方式
的天生缺陷 : 连线庞杂，易串扰，像素选通信号无法保存等。
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Micro LED驱动技术
2. 有源选址驱动
(AM : Active Matrix，又称有源寻址、主
动寻址、有源驱动等)
每个Micro-LED像素有其对应的独立驱动电路，驱动电流
由驱动晶体管提供。基本的有源和矩阵驱动电路为双晶
体管音电容(2T15C: 2 Transistor 1 Capacitor)电路，如图2所
示[4]。
① 每个像素电路中使用至少两个晶体管来控制输出电流，T1为选通晶体管，用来控制像素电路的开或
关。T2是驱动个晶体管，与电压源联通并在一场(Frame)的时间内为Micro-LED提供稳定的电流。
② 存储电容C1来储存数据信号(Vdata)，当该像素单元的扫描信号脉冲结束后，存储电容仍能保持驱动
晶体管T2栅极的电压，从而为Micro-LED像素源源不断的驱动电流，直到这个Frame结束。
不足之处：
2T1C 驱动电路只是有源选址Micro-LED的一种基本像素电路结构，它结构较为简单并易于实现。但由于其
本质是电压控制电流源(VCCS) ，而 Micro-LED像素是电流型器件，所以在显示灰度的控制方面会带来一定
的难度，这一点我们在后面的《Micro-LED的彩色化与灰阶》部分中会讨论。
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41. 西安交通大学
Micro LED驱动技术
3. 半有源选址驱动
另外需要提及的是一种“半有源“ 选址驱动方式[6]。这种驱动方
式采用单晶体管作为Micro-LED像素的驱动电路 (如图3所示) ，从
而可以较好地避免像素之间的串扰现象。
① 全有源选址的驱动能力更强，可实现更大面积的驱动。而无源选址的驱动能力受外部集成电路驱动
性能的影响，驱动面积于分辨闻受限制。
② 有源选址有更好的亮度均匀性和对比度。在无源选址方式中，由于外部驱动集成电路驱动能力的有
限，每个像素的亮度受这一列亮起像素的个数影响。一般来说，同一列的Micro-LED像素共享外部驱
动集成电路的一个或多个输出引脚的驱动电流。所以，当两列中亮起的像素个数不一样的时，施加
到每个LED像素上的驱动电流将会不一样，不同列的亮度就会差别很大。这个问题将会更加严重地
体现在大面积显示应用中，如LED电视与LED大屏募等。同时随着行数和列数的增加，这个问题也会
变得更严峻。
4. 三种驱动方式比较
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42. 西安交通大学
Micro LED驱动技术
③ 有源选址可实现低功耗高效率。大面积显示应用需要比较大的像素密度，因此就必须尽可能减小电
极尺寸，而驱动显示屏所需的电压也会极大的上升，大量的功率将损耗在行和列的扫摘线上，从而
导致效率低下。
④ 高独立可控性。无源选址中，较高的驱动电压也会带来第二个麻烦，即捉扰，也就是说，在无源选
址LED 阵列中，驱动电流理论上只从选定的LED像素通过，但周围的其他像素将会被电流脉冲影响，
最终也会降低显示质量。有源选址方式则通过由选通晶体管和驱动晶体管构成的像素电路很好的避
免了这种现象。
⑤ 更高的分辨率。有源选址驱动的更适用于高 PP 高分辨率的Micro-LED显示。
⑥ 第三种“半有源“ 驱动虽然可以较好地避免像素之间的串扰现象，但是由于其像素电路中没有存储
电容，并且每一列的驱动电流信号需要单独调制，并不能完全达到上面列出的有源选址驱动方式的
全部优势。
Passive Matrix
• Passive matrix panels donot contain a storage
capacitor
• The pixel in each line are actually off most of the
time
• Low brightness
• Low resolution
• Low cost
Active Matrix
• Active matrix display uses capacitors that retain the
pixel information until the next line refresh
• High brightness
• High resolution
• High cost
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Micro LED驱动技术
① 以蓝宝石衬底上外延生长的蓝光Micro-LED为例，像素和驱动晶体管T2的连接方式有图4所示的4种。但
由于LED外延生长结构是p型氨化镶 (GaN)在最表面而 n型氨化久在底层，如图5所示。从制备工艺角度
出发驱动晶体管的输出端与Micro-LED像素的p电极连接较为合理，即图4中的(a)和(c)。
② 图4 (a)中Micro-LED像素连接在N型驱动晶体管的源极(Source)。由外延生长 (Epitaxial Growth)、制备工艺、
及器件老化所产生的不均匀性所导致的Micro-LED电学特性的不均匀性将会直接影响驱动晶体管的VGS，
从而造成显示图像的不均匀。
③ 而图4 (c)中的Micro-LED像素连接在P型驱动晶体管的Drain ，可以避免上述影响，其电流-电压关系图6
所示。因此，有P管像素电路驱动Micro-LED 较为适宜。
5. 举例
Graph 6. Micro-LED transistors current and
voltage relationship.
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三．Micro-LED 实现彩色的方法
四．Micro-LED 驱动
五．Micro-LED 应用
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Micro LED应用
Major Challenges for -LED
Source: Display Daily (11/30/17)
1. Mass Transfer Yield
2. Color & brightness uniformity 4. Price/m2
55” 4K TV: Pitch 0.34 mm
10X reduction
3. Lower EQE
F. Olivier, et al. SID 48, 353
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K.M. Lau, ICDT Plenary 15 (2018)
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