电子科技大学发布全球首款全硅微显示MicroLED

电子薄膜与集成器件国家重点实验室（电子科技大学）于近日正式发布了全球首款CMOS单片集成之全硅微显示芯片。该实验室的硅光研发小组依托“中国电科—电子科大”共建的核心电子材料与器件协同创新中心开展校企合作，成功研发了全球首款“基于硅材料自身发光”的全硅微显示芯片样品。

该项工作的“原创理念”是创新性地完全规避了硅材料（间接带隙）能带结构的天然缺陷，利用PN结反向偏置，获得一种类似“轫致辐射”的发光，再引入与标准硅IC（即Si-CMOS ）工艺完全兼容之MOS结构，大幅提升了发光强度。这一“原创理念”已于2019年5月在Compound Semiconductor英文版以《Another Step Towards Silicon Optoelectronic Integration》为题予以发布。

这一研发小组致力于全硅光电集成，继续将这一“原创理念”发扬光大，不仅追求“能发光”，而且强调“能够用”，服务中国微电子事业。他们于近期已成功实现以该发光管为像素单元的“全硅微显示”阵列；这一新型MicroLED显示芯片的诞生颠覆了传统思维，有望在既定领域全面取代LCD和OLED。

换句话说，与LCD或OLED不同，该款样品不需要大面积的基板进行光刻或蒸发，采用Si-CMOS工艺即可完成所有制备流程。像素单元的实现很简单，硅材料更是确保了成本更低，显示清晰，转换稳定，这使得全硅微显示MicroLED几乎成为一种完美的、全新的、颠覆性的跨时代显示技术。

通过开展阵列后端驱动电路设计，并实现电路与发光阵列的单片集成，在10×10mm²的芯片面积上完成了大规模像素单元的矩阵化（100×100）排列，调制端口的设计大幅度增强了单位面积的光通量和像素阵列整体发光的均匀度，光强增加了≧139.2％，驱动电压降低了≧67％，成功达到了“多发光、少发热”的目标。

该芯片针对微显示对低功耗，高帧率的迫切需求，设计了半有源寻址式驱动电路，图像显示帧频达到≧100fps，并有效削弱了像素间串扰带来的负面影响；为了解决普通封装无法提供足够多接口引出控制线的问题，在芯片集成环节，专门设计并嵌入了可变可控的数字接口模块，仅需3根信号线便可保障数据从主机到芯片的高速传输。无需对驱动电路以及接口电路模块进行额外的工艺调整和后处理，便可与处于芯片中央的像素阵列实现匹配，减少了芯片设计和制造的成本，体现了以全硅材料发展低成本、高品质微显示技术的开创性理念。

芯片样品（封装后）

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拓展阅读：

1.      吴克军，黄兴发，徐开凯 等人, “发光窗口对MOS结构硅LED电光性能的影响,” 发光学报, 41卷、7期，834-838，2020

2.  K. Wu, Q. Luo, K. Xu et al., “All-silicon microdisplay using efficient hot-carrier electroluminescence in standard 0.18μm CMOS technology,” IEEE Electron Device Lett., vol. 42, no. 4, 541-544, 2021

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