Micro-LED加速发展 | 无需光转换材料！Plessey开发出硅基氮化镓原生绿色LED
Plessey开发了一种专有的硅基氮化镓（GaN-on-Si）工艺，这种工艺可以制造出一种无需色彩转换技术即可发出绿光的LED。
为了产生绿光，LED制造商通常会在蓝光LED芯片基础上封装荧光粉或量子点等光转换材料。LED工作时，这些光转换材料会将短波长（通常为450nm）的蓝光转换为红色或绿色波长，而这一转换效率一般都很低，约10％~30％。
Plessey的这种原生绿色LED使用其专有GaN-on-Si外延生长工艺制成，类似于原生的蓝色LED，主要区别在于LED量子阱结构中的铟含量不同。因为没有颜色转换时产生能量的损失，这种原生绿色LED的发光强度比使用转换材料的LED亮度高几个数量级。
该原生绿光LED的发光主波长为530nm，半高宽为31nm，这样的参数非常适合彩色显示。按照Plessey的介绍，不像其他LED，该绿色LED的发光波长相对于电流密度具有非常高的稳定性。
Plessey还报告说，这种绿光LED的亮度比采用绿色转换技术的绿光LED亮度更高，另外，这种绿光LED的制造方法也为Micro-LED显示器提供了基础。
关于Plessey的Micro-LED技术，今年早些时候的消费电子展（CES）上，Plessey还推出了基于Micro-LED显示器的增强现实（AR）和虚拟现实（VR）眼镜，他们彻底放弃了OLED显示屏。Plessey的micro-LED应用总监Clive Beech在一次访谈期间具体讨论了该技术的挑战和前景。
根据Plessey的说法，这些Micro-LED能够提供10倍的分辨率和100倍的对比度，以及高达传统OLED 1,000倍的亮度，所有这些都是由自发光像素直接发光实现的。这种显示器可以完全关断发光进而实现一种所谓的“完美”黑色，这意味着整体画面会具有更强的活力感和深度感，同时这种方案也降低了显示器的功耗。
Plessey在CES上还展示了一款0.7英寸的1080p Micro-LED显示器，该显示器包括独立的红色，绿色和蓝色像素，以及一个可寻址的0.7英寸蓝色Micro-LED显示器，该显示器可以播放1080p的视频。
据该公司称，他们已经开发出一种可扩展且可重复的GaN-on-Silicon单片工艺。该工艺能够保证芯片的质量和性能，同时还可以规避一些传统拾放（pick-and-place）转移技术相关的问题。
“可以看到，我们的Micro-LED已经产品进入了三个主要的产品领域，”Clive Beech解释道，“首先是大屏幕的背光系统。结合量子点膜，我们既能够生成非常高质量的彩色图像，也可以对该背光进行智能分区。这时，基于Micro-LED的背光可以按照低分辨率的目标图像信息进行分区点亮，最后以低功耗、高亮度的背光形式配合显示模组生成更高分辨率的图像。
“第二个领域是把单颗灯看作显示像素的大屏LED显示器，这种LED显示器的每个像素包括红色，绿色和蓝色三颗LED。”
第三个领域是CES上展示的可穿戴AR / VR系统。
“第三种方案就是OLED显示屏，它可以设计得非常小。”
根据Beech的说法，“前两种方案，基于反光设计，并不是特别适合。对于AR应用而言，显示器通常只需要驱动点亮大约20％的像素，然而反射型显示器只能完全点亮，因为显示系统没办法按需求点亮特定像素。这就意味着用户必须打开整个显示器的电源，需要非常高的功耗。
“OLED显示器是一个很好的选择，因为它只点亮了你需要观看的像素。不过OLED显示器也有问题，它的问题在于亮度不够，另外它们还不能很好地耦合到光学器件中。这种显示器非常像普通的电视显示器，视角非常大。在AR / VR耳机中，我们需要将光线投射到投影镜头中，OLED显示屏因为视角太大，其产生的很多光都会浪费掉。”
Beech认为Micro-LED刚好可以克服了这些问题。
“基于Micro-LED显示器的AR系统更容易实现，因为显示系统可以单独点亮特定像素，另外它们也比OLED更亮 - 高达250倍 – 保证显示画面即使在高亮度的外部环境中也可以清楚看到。”
由于具有这样的优势，Plessey也看到许多希望进入AR市场的大型科技公司向他们抛来橄榄枝。
Beech解释，与AR不同，VR系统的结构往往是封闭的，不利于散热。
“基于Micro-LED自发光显示器，或者反射式DMD和LCOS显示器，虽然显示亮度可以保证足够高的环境光对比度，但是整个VR系统会因为散热不畅而变得不舒适。不过，从这个角度 OLED是可以的，因为VR系统不像AR系统那么依赖于环境对比度。总的来说，如果你想要图像亮度很高，那么这些设备的散热设计会变得很关键。”
据Beech称，特别是在AR领域的应用中，Micro-LED非常适合用来替代DMD和LCOS显示器。
“我们正在开发一种自有的Micro-LED技术，即硅基氮化镓（GaN-on-Si）技术。现在我们可以制作出原生的蓝光Micro-LED。不过，蓝色只是显示所需三种颜色中的一种，我们正在与Nanoco技术公司合作，以进一步实现红色和绿色发光。”
Plessey希望将量子点集成到蓝色LED晶圆上的选定区域，以发出红光和绿光。
Beech表示，“这种技术意味着我们可以将像素尺寸从目前的30μm缩小到4μm，减小87％。该工艺将能够为AR / VR设备和可穿戴设备等生产更小，更高分辨率的Micro-LED显示器，同时它还能提升色彩再现能力和整个产品的能效。”
“通过量子点产生的红光和绿光非常纯净（发射光谱的半高宽很小），因此这种显示器可以获得非常高的色域。”
增强现实显示需要这种微型显示器，不过将这种技术应用到微型显示器上，工艺上还是非常困难的。
“激发量子点的光通量非常高，远高于电视屏幕发出的。因此，工程师们需要通过设计让这些量子点能够吸收如此高光通量的同时不发生饱和情况或者被破坏。”
Nanoco开发使用的这种制造工艺是非常复杂的，同时也是业界领先的。
Beech表示，“该技术目前已经达到了很高的水平，我相信它正迎来自己的时刻。”
“我们的显示器其实是Micro-LED点阵列，但仅作为阵列，它还是不可控制的，因此它还需要同CMOS驱动背板连接。CMOS驱动背板可以同时控制所有Micro-LED像素，有效实现显示器的单色显示。我们接下来要做的是对这些单色（蓝色）像素进行彩色化，即通过特殊的制作工艺让大约三分之一的像素，激发量子点材料发出红光，再同样通过激发量子点材料，让另三分之一的像素发出绿光。
“为了做到这一点，我们必须能够以微米精度将这些量子点材料印刷到Micro-LED阵列上。”
“一个像素的尺寸是8微米×8微米，该些像素必须细分为红色，绿色和蓝色。因此，单个红色、绿色和蓝色像素的尺寸都为2微米×8微米，像素之间会留有一个很小的距离。因此，量子点材料必须克服的两个巨大困难是：承受非常高的光通量和显示器工作时的高温。
“我们现在已经勉强能够打印出来，不过规模还非常小。我们面对的是一些尺寸仅为2或3微米的东西。这些像素必须能承受非常高的光通量，还有系统工作时的高温环境。这些量子点材料必须通过设计得到保护，进而能不受外界的影响，这些都是很难又很关键的问题。”
根据Beech的说法，Plessey已经与业内许多领先的科技公司签订了Micro-LED相关的合同。
“他们想要的显示尺寸和像素尺寸不尽相同，但今年第四季度大多数公司都会如愿拿到这些尺寸的原型产品，这段时间我们还可以提供一些预生产样品，我们的目标是明年将这些产品推向市场。”
Micro-LED的应用预计将在2020年后加速，不过在手机领域，其亮度还是一个问题，而且Micro-LED显示器的成本也高得惊人。
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