創(chuàng)新驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 挑戰(zhàn)Micro LED顯示效率極限

平面顯示器市場目前主要由LCD液晶屏幕與OLED面板占據(jù)，主打各式終端產(chǎn)品，例如電視或電子廣告牌使用的大型顯示器、平板與智能手機(jī)的小型顯示器，以及AR／VR應(yīng)用的微型顯示器。LCD屏幕利用無機(jī)材料的LED背光模塊來發(fā)光，光線在通過液晶分子矩陣后會產(chǎn)生彩色影像。相較之下，OLED屏幕能夠自行發(fā)光，透過有機(jī)化合物對通過電流的反應(yīng)來發(fā)射光線。

最近，第三種顯示技術(shù)Micro LED加入戰(zhàn)局，預(yù)計(jì)能提供比傳統(tǒng)屏幕還要鮮艷的色彩，以及更高亮度與更低功耗。采用這項(xiàng)技術(shù)的首發(fā)產(chǎn)品近期以亮眼表現(xiàn)進(jìn)軍顯示器市場，像是顯示器大廠推出的Micro LED電視與電視墻，未來可望實(shí)現(xiàn)家庭、娛樂影視與商業(yè)應(yīng)用的最佳視覺體驗(yàn)。

Micro LED是微型LED，傳統(tǒng)LED尺寸>1mm，Micro LED則是<50μm。傳統(tǒng)LED采用獨(dú)立封裝，而Micro LED能以裸晶形式運(yùn)作，這些大量晶粒需要透過整合來制成顯示器。每個(gè)Micro LED晶粒都包含紅色、綠色、藍(lán)色的子畫素，用來組成彩色顯示器。發(fā)光的顏色由LED的非有機(jī)材料（能隙）決定，舉例來說，磷化鋁銦鎵（AlGaInP）能產(chǎn)生紅光，氮化銦鎵（InGaN）則產(chǎn)生綠光。

采用TFT驅(qū)動Micro LED 鎖定大型模塊化顯示器商機(jī)
采用主動式驅(qū)動的Micro LED顯示器由背板上的晶體管數(shù)組控制，包含開關(guān)電流與驅(qū)動單一畫素。Micro LED背板材料分為兩種。第一種是硅材晶體管，采用傳統(tǒng)的CMOS制程。這些晶體管可以做到非常小，制成的背板晶體管具備極小間距（pitch），非常適合用于高分辨率的VR／AR應(yīng)用或投影設(shè)備。不過硅基板的成本較高，尺寸有限，而且不透明。

第二種是薄膜晶體管（TFT），可用非晶硅、低溫多晶硅（LTPS）或是氧化銦鎵鋅（IGZO）制成。TFT能在比硅材還要大尺寸的基板上制造，有機(jī)會達(dá)到更低的單位面積成本。本文的重點(diǎn)就是采用TFT基板的Micro LED技術(shù)。

其中一種設(shè)想的應(yīng)用是用于電視或電視墻的大型模塊化顯示器，應(yīng)用場景包含家庭、電影院與廣告場域，抑或是大規(guī)模或小型會議。根據(jù)Micro LED模塊的大小與數(shù)量，顯示器的最終尺寸會落在100吋~200吋之間，甚至更大。在這類應(yīng)用中，Micro LED預(yù)計(jì)能超越一樣采用TFT基板的OLED面板，不僅更加省電，在相同電流下還能產(chǎn)生更高亮度。此外，Micro LED不含有機(jī)材料發(fā)光層，所以不需要封裝，更便于無縫轉(zhuǎn)移。相較之下，OLED必須對個(gè)別模塊進(jìn)行封裝。

不同于OLED，用于大型顯示器的Micro LED不能在同一個(gè)單片基板上制造。因此，中大型顯示器的Micro LED制程必須采用取放（pick and place）等技術(shù)。這項(xiàng)取放技術(shù)會使用三塊磊晶基板來制造紅色、藍(lán)色與綠色晶粒，然后進(jìn)行切割，最后透過高速取放系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到TFT背板上。

Micro LED的TFT背板設(shè)計(jì)
高性能Micro LED顯示器帶來了全新的背板設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。目前正在開發(fā)數(shù)種不同的電子設(shè)計(jì)方法，一種是主動式矩陣OLED（AMOLED）設(shè)計(jì)，另一種是被動式矩陣PCB驅(qū)動設(shè)計(jì)。

兩者在灰階、閃爍、畫素間距、散熱或功耗方面的表現(xiàn)各有優(yōu)缺。imec憑借著在TFT電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的多年經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了Micro LED驅(qū)動電路的替代方案，引領(lǐng)新一波的技術(shù)升級。

接下來將會介紹我們與Barco共同開發(fā)的應(yīng)用案例，在Micro LED模塊化顯示器上采用全新的TFT電路設(shè)計(jì)，整合目前不同驅(qū)動技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)。

Micro LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)：創(chuàng)新6T2C架構(gòu)
在設(shè)計(jì)顯示器的驅(qū)動電路時(shí)，開發(fā)人員必須做出一些選擇，例如：選出最佳的矩陣結(jié)構(gòu)（主動式或被動式矩陣）、灰階調(diào)變方法（使用模擬訊號或數(shù)字訊號）、LED程控（電壓或電流控制）。imec研究團(tuán)隊(duì)評估了多項(xiàng)先進(jìn)驅(qū)動技術(shù)，最終開發(fā)了創(chuàng)新的混合式驅(qū)動技術(shù)，把各技術(shù)的最大優(yōu)勢都整合在采用6T2C架構(gòu)的驅(qū)動電路上，藉此解決micro LED顯示器的多項(xiàng)新興挑戰(zhàn)。

主動式vs被動式矩陣架構(gòu)
主動式（AM）與被動式矩陣（PM）驅(qū)動的顯示器都是透過水平向與垂直向的線路來運(yùn)作，水平向負(fù)責(zé)進(jìn)行一次一列的掃描，垂直向則是傳遞顯示訊號到每行對應(yīng)的晶體管，藉此導(dǎo)通那一列的畫素。這些電路能以高速率依序驅(qū)動畫素，快到連肉眼都無法分辨是逐線掃描，而視為平面影像。

在被動式矩陣的驅(qū)動模式下，像是用于目前的Micro LED電視墻，非選定線路上的畫素會處于關(guān)閉狀態(tài)，只有在被選時(shí)會短暫開啟。換句話說，這時(shí)只有一條畫素會發(fā)光。在主動式矩陣，例如AMOLED的電路設(shè)計(jì)中，所有畫素都有記憶性，可以在屏幕刷新的切換周期中維持驅(qū)動狀態(tài)，直到下次訊號更新，所以在其他線路進(jìn)行掃描時(shí)，非選定畫素也會發(fā)光。如此一來就能降低對控制畫素亮度的要求，進(jìn)而減少所需電流。這就是主動式與被動式驅(qū)動的基本差異。



 
圖一 : 被動式（左圖）與主動式（右圖）矩陣的驅(qū)動電路圖。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主動式矩陣更有利于降低功耗和成本，并提升影像質(zhì)量。被動式矩陣的畫素只能短暫驅(qū)動，所以需要更大的瞬間亮度，LED驅(qū)動電流也必須維持整體亮度的一致性，這就加劇了功耗與散熱問題。對于包含上百萬顆Micro LED的大型模塊化顯示器，比起被動式矩陣，主動式矩陣驅(qū)動才是首選。

灰階調(diào)變：數(shù)字vs模擬驅(qū)動
單顆LED的灰階（grey level）或說是亮度由LED驅(qū)動電流的大小決定。每顆LED構(gòu)成一個(gè)畫素，每個(gè)畫素的灰階最終會決定LED顯示器的整體亮度。

AMOLED顯示器所用的平板式設(shè)計(jì)通常采用模擬式驅(qū)動，也就是說，對個(gè)別畫素施加的模擬訊號（電流或電壓）以及OLED的驅(qū)動電流會決定最終的灰階顯示。在這種驅(qū)動模式下，高電壓或大電流會增加發(fā)光程度，進(jìn)而提高畫素亮度。然而，對于非有機(jī)材料的（Micro）LED而言，這就有個(gè)缺點(diǎn)：為了調(diào)變顯示器的灰階而改變LED驅(qū)動電流，同時(shí)會影響到發(fā)光的波長，導(dǎo)致色偏（color shift）現(xiàn)象。

這也是數(shù)字驅(qū)動模式會更適合Micro LED顯示器的原因。數(shù)字驅(qū)動模式運(yùn)用脈沖寬度調(diào)變（PWM）來控制Micro LED的驅(qū)動電流。藉此，所有LED都能維持相同電流，避免色偏現(xiàn)象，但還是能調(diào)整LED的平均導(dǎo)通時(shí)間（或稱占空比），如此一來，就能控制顯示器的平均發(fā)光程度，也就是畫素的灰階。

12位圖編碼表
為了在主動式矩陣架構(gòu)的背板進(jìn)行數(shù)字驅(qū)動，可以采用不同的影像編碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)變（PWM）。編碼表（coding table）會記錄Micro LED開關(guān)的確切時(shí)間點(diǎn)。imec研究團(tuán)隊(duì)提出了獨(dú)特的12位圖編碼表，以縮短黑屏?xí)r間并優(yōu)化視覺呈現(xiàn)，最終把屏幕閃爍的機(jī)率降到最低。


 
圖二 : 運(yùn)用imec提出的12位圖編碼表，所有灰階在傅立葉頻譜上的第一個(gè)諧波振福都下降，減緩了顯示器閃爍的問題。

創(chuàng)新的6T2C驅(qū)動電路
再次強(qiáng)調(diào)，在設(shè)計(jì)顯示器驅(qū)動電路時(shí)，必須做出一些取舍。例如，設(shè)計(jì)人員可以選用傳統(tǒng)的2T1C架構(gòu)：一顆晶體管選取目標(biāo)畫素，另一顆晶體管負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)線的電壓，提供LED驅(qū)動電流。然而，晶體管特性一旦出現(xiàn)任何變化，都會影響驅(qū)動電流，進(jìn)而產(chǎn)生色偏現(xiàn)象。因此，電壓驅(qū)動的電流控制并不理想。

為此，imec研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種混合式驅(qū)動技術(shù)，利用兩顆晶體管組成的電流鏡（current mirror）來精準(zhǔn)控制Micro LED的驅(qū)動電流，維持固定。PWM訊號傳輸則透過另外兩顆開關(guān)晶體管來施加電壓。這些開關(guān)晶體管可以根據(jù)影像編碼表來控制電流鏡的開關(guān)。最后兩顆晶體管則負(fù)責(zé)在輸入電流更新訊號時(shí)選取所需畫素。


 
圖三 : 采用6T2C驅(qū)動電路的Micro LED電路圖。

運(yùn)用6T2C結(jié)構(gòu)，imec團(tuán)隊(duì)成功導(dǎo)入混合式驅(qū)動技術(shù)，達(dá)到Micro LED顯示器的最佳效能。同時(shí)，他們也針對6T2C驅(qū)動電路做出一些調(diào)整來拓展應(yīng)用。例如，其中一項(xiàng)設(shè)計(jì)變動是藉由共享電流鏡來縮小驅(qū)動電路的整體面積。此外，imec也提出一種全局快門設(shè)計(jì)，用來改善模塊化顯示器對多個(gè)子模塊進(jìn)行同步更新的性能。

從原型開發(fā)到量產(chǎn)
創(chuàng)新的驅(qū)動電路是高性能Micro LED顯示器的關(guān)鍵。imec能協(xié)助企業(yè)與學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)探索基于IGZO、LPTS或非晶硅材的TFT驅(qū)動電路在顯示器市場的應(yīng)用潛能。

imec也攜手業(yè)界的晶圓代工伙伴，提供TFT驅(qū)動電路在顯示器與非顯示器應(yīng)用方面的生產(chǎn)資源。這套合作模式也延伸到多項(xiàng)與CMOS硅制程相關(guān)的研究計(jì)劃，且進(jìn)行多年，為學(xué)研單位與顯示器業(yè)者提供一條技術(shù)商用的道路。

此外，imec還能借助比利時(shí)根特大學(xué)CMST研究實(shí)驗(yàn)室的專業(yè)與服務(wù)，將Micro LED置于TFT背板上。CMST歷經(jīng)多年研究，已經(jīng)開發(fā)出一套取放方法，能快速準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)移Micro LED晶粒。

該研究團(tuán)隊(duì)為了展示其量產(chǎn)潛能，已經(jīng)完成載于LPTS背板的Micro LED原型芯片，采用的驅(qū)動電路就是先前介紹的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。LTPS可以提供更高的驅(qū)動電流，因此比起IGZO，更適合用來制造TFT顯示器背板。舉例來說，特性分析結(jié)果顯示，LTPS面板具備良好的訊號保存能力，這就代表，這些訊號在畫素導(dǎo)通后能在電流鏡與電容器上保存多長時(shí)間。


 
圖四 : 顯示訊號保存時(shí)間的示波器分析結(jié)果。

結(jié)語
imec提出了一款利用TFT背板來驅(qū)動Micro LED的混合式方法，整合了LED電視墻與AMOLED設(shè)計(jì)的最大優(yōu)勢，包含驅(qū)動電流的程控、PWM模式的主動式矩陣設(shè)計(jì)。另外也開發(fā)了創(chuàng)新的6T2C電路架構(gòu)，讓這套混合式設(shè)計(jì)能驅(qū)動Micro LED顯示器達(dá)到最佳的影像質(zhì)量。這款基于LTPS材料的TFT驅(qū)動電路設(shè)計(jì)完稿（tapeout）也擘畫了imec與芯片制造伙伴的合作之路，以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)Micro LED顯示器的目標(biāo)。

（本文由imec提供；作者Kris Myny為imec主任研究員／編譯：吳雅婷）