创新驱动电路设计 挑战Micro LED显示效率极限

  平面显示器市场目前主要由LCD液晶屏幕与OLED面板占据，主打各式终端产品，例如电视或电子广告牌使用的大型显示器、平板与智能手机的小型显示器，以及AR／VR应用的微型显示器。LCD屏幕利用无机材料的LED背光模块来发光，光线在通过液晶分子矩阵后会产生彩色影像。相较之下，OLED屏幕能够自行发光，透过有机物对通过电流的反应来发射光线。加入战局，预计能提供比传统屏幕还要鲜艳的色彩，以及更高亮度与更低功耗。采用这项技术的首发产品近期以亮眼表现进军显示器市场，像是显示器大厂推出的是微型LED，传统LED尺寸1mm，Micro LED则是50μm。传统LED采用独立封装，而Micro LED能以裸晶形式运作，这些大量晶粒需要透过整合来制成显示器。每个Micro LED晶粒都包含红色、绿色、蓝色的子画素，用来组成彩色显示器。发光的颜色由LED的非有机材料（能隙）决定，举例来说，磷化铝铟镓（AlGaInP）能产生红光，氮化铟镓（InGaN）则产生绿光。采用主动式驱动的Micro LED显示器由背板上的晶体管数组控制，包含开关电流与驱动单一画素。Micro LED背板材料分为两种。第一种是硅材晶体管，采用传统的CMOS制程。这些晶体管能做到非常小，制成的背板晶体管具备极小间距（pitch），很适合用于高分辨率的VR／AR应用或投影设备。不过硅基板的成本比较高，尺寸有限，而且不透明。第二种是薄膜晶体管（TFT），可用非晶硅、低温多晶硅（LTPS）或是氧化铟镓锌（IGZO）制成。TFT能在比硅材还要大尺寸的基板上制造，有机会达到更低的单位面积成本。本文的重点就是采用TFT基板的Micro LED技术。其中一种设想的应用是用于电视或电视墙的大型模块化显示器，应用场景包含家庭、电影院与广告场域，抑或是大规模或小型会议。根据Micro LED模块的大小与数量，显示器的最终尺寸会落在100吋~200吋之间，甚至更大。在这类应用中，Micro LED预计能超越一样采用TFT基板的OLED面板，不仅更加省电，在相同电流下还能产生更高亮度。此外，Micro LED不含有机材料发光层，所以不需要封装，更便于无缝转移。相较之下，OLED必须对个别模块进行封装。不同于OLED，用于大型显示器的Micro LED不能在同一个单片基板上制造。因此，中大型显示器的Micro LED制程一定要采用取放（pick and place）等技术。这项取放技术会使用三块磊晶基板来制造红色、蓝色与绿色晶粒，接着进行切割，最后透过高速取放系统转移到TFT背板上。高性能Micro LED显示器带来了全新的背板设计挑战。目前正在开发数种不同的电子设计方法，一种是主动式矩阵OLED（AMOLED）设计，另一种是被动式矩阵PCB驱动设计。两者在灰阶、闪烁、画素间距、散热或功耗方面的表现各有优缺。imec凭借着在TFT电路设计领域的多年经验，开发了Micro LED接下来将会介绍我们与Barco共同开发的应用案例，在Micro LED模块化显示器上采用全新的TFT电路设计，整合目前不同驱动技术的强项。时，研发人员必须做出一些选择，例如：选出最佳的矩阵结构（主动式或被动式矩阵）、灰阶调变方法（使用模拟讯号或数字讯号）、LED程控（电压或电流控制）。imec研究团队评估了多项先进驱动技术，最终开发了创新的混合式驱动技术，把各技术的最大优势都整合在采用6T2C架构的驱动电路上，藉此解决micro LED显示器的多项新兴挑战。主动式（AM）与被动式矩阵（PM）驱动的显示器都是透过水平向与垂直向的线路来运作，水平向负责进行一次一列的扫描，垂直向则是传递显示讯号到每行对应的晶体管，藉此导通那一列的画素。这些电路能以高速率依序驱动画素，快到连肉眼都无法分辨是逐线扫描，而视为平面影像。在被动式矩阵的驱动模式下，像是用于目前的Micro LED电视墙，非选定线路上的画素会处于关闭状态，只有在被选时会短暂开启。换句话说，这时只有一条画素会发光。在主动式矩阵，例如AMOLED的电路设计中，所有画素都有记忆性，可以在屏幕刷新的切换周期中维持驱动状态，直到下次讯号更新，所以在其他线路进行扫描时，非选定画素也会发光。如此一来就能降低对控制画素亮度的要求，进而减少所需电流。这就是主动式与被动式驱动的基本差异。结果发现，主动式矩阵更有利于降低功耗和成本，并提升影像质量。被动式矩阵的画素只能短暂驱动，所以需要更大的瞬间亮度，LED驱动电流也必须维持整体亮度的一致性，这就加剧了功耗与散热问题。对于包含上百万颗Micro LED的大型模块化显示器，比起被动式矩阵，主动式矩阵驱动才是首选。单颗LED的灰阶（grey level）或说是亮度由LED驱动电流的大小决定。每颗LED构成一个画素，每个画素的灰阶最终会决定LED显示器的整体亮度。AMOLED显示器所用的平板式设计通常采用模拟式驱动，也就是说，对个别画素施加的模拟讯号（电流或电压）以及OLED的驱动电流会决定最终的灰阶显示。在这种驱动模式下，高电压或大电流会增加发光程度，进而提高画素亮度。然而，对于非有机材料的（Micro）LED而言，这就有个缺点：为了调变显示器的灰阶而改变LED驱动电流，同时会影响到发光的波长，导致色偏（color shift）现象。这也是数字驱动模式会更适合Micro LED显示器的原因。数字驱动模式运用脉冲宽度调变（PWM）来控制Micro LED的驱动电流。藉此，所有LED都能维持相同电流，避免色偏现象，但还是能调整LED的平均导通时间（或称占空比），如此一来，就能控制显示器的平均发光程度，也就是画素的灰阶。为了在主动式矩阵架构的背板进行数字驱动，可以采用不同的影像编码技术来实现脉冲宽度调变（PWM）。编码表（coding table）会记录Micro LED开关的确切时间点。imec研究团队提出了独特的12位图编码表，以缩短黑屏时间并优化视觉呈现，最终把屏幕闪烁的机率降到最低。图二 : 运用imec提出的12位图编码表，所有灰阶在傅立叶频谱上的第一个谐波振福都下降，减缓了显示器闪烁的问题。再次强调，在设计显示器驱动电路时，一定要做出一些取舍。例如，设计人员可以选用传统的2T1C架构：一颗晶体管选取目标画素，另一颗晶体管负责控制数据线的电压，提供LED驱动电流。然而，晶体管特性如果出现任何变化，都会影响驱动电流，进而产生色偏现象。因此，电压驱动的电流控制并不理想。为此，imec研究团队开发了一种混合式驱动技术，利用两颗晶体管组成的电流镜（current mirror）来精准控制Micro LED的驱动电流，维持固定。PWM讯号传输则透过另外两颗开关晶体管来施加电压。这些开关晶体管能够准确的通过影像编码表来控制电流镜的开关。最后两颗晶体管则负责在输入电流更新讯号时选取所需画素。运用6T2C结构，imec团队成功导入混合式驱动技术，达到Micro LED显示器的最佳效能。同时，他们也针对6T2C驱动电路做出一些调整来拓展应用。例如，其中一项设计变动是藉由共享电流镜来缩小驱动电路的整体面积。此外，imec也提出一种全局快门设计，用来改善模块化显示器对多个子模块进行同步更新的性能。创新的驱动电路是高性能Micro LED显示器的关键。imec能协助企业与学术研究团队探索基于IGZO、LPTS或非晶硅材的TFT驱动电路在显示器市场的应用潜能。imec也携手业界的晶圆代工伙伴，提供TFT驱动电路在显示器与非显示器应用方面的生产资源。这套合作模式也延伸到多项与CMOS硅制程相关的研究计划，且进行多年，为学研单位与显示器业者提供一条技术商用的道路。此外，imec还能借助比利时根特大学CMST研究实验室的专业与服务，将Micro LED置于TFT背板上。CMST历经多年研究，已经开发出一套取放方法，能快速准确地转移Micro LED晶粒。该研究团队为了展示其量产潜能，已完成载于LPTS背板的Micro LED原型芯片，采用的驱动电路就是先前介绍的创新设计。LTPS能够给大家提供更高的驱动电流，因此比起IGZO，更适合用来制造TFT显示器背板。举例来说，特性分析结果为，LTPS面板具备良好的讯号保存能力，这就代表，这些讯号在画素导通后能在电流镜与电容器上保存多长时间。imec提出了一款利用TFT背板来驱动Micro LED的混合式方法，整合了LED电视墙与AMOLED设计的最大优势，包含驱动电流的程控、PWM模式的主动式矩阵设计。另外也开发了创新的6T2C电路架构，让这套混合式设计能驱动Micro LED显示器达到最佳的影像质量。这款基于LTPS材料的TFT驱动电路设计完稿（tapeout）也擘画了imec与芯片制造伙伴的合作之路，以实现量产Micro LED显示器的目标。

  （本文由imec提供；作者Kris Myny为imec主任研究员／编译：吴雅婷）