一期一会 | 运用仿真技术克服MicroLED中的设计挑战

MicroLED（μLED）是由氮化铟镓（InGaN）和磷化铝镓铟（AlGaInP）等III-V族化合物（位于元素周期表第三列和第五列）制成的微米级器件。MicroLED是小型、扁平、方形的光源，可以内置在具有极高对比度的阵列中。MicroLED显示器中的每个LED都可充当一个像素（红色、绿色或蓝色），可用于MicroLED电视和其他需要高级显示器的技术。

扁平、方形的LED

MicroLED显示器的工作原理与基于LCD的显示器不同。传统的LCD系统使用LED背光和液晶层，后者通过阻挡某些部分的光来创建图像。相比之下，MicroLED和OLED显示器都要简单得多，因为它们不依赖LCD。相反，每个LED都会自己发射光，从而从每个单独的像素创建图像。

在理想的场景下，通过单片集成实现的外延生长工艺（即直接在背板上实现LED生长），是MicroLED的最佳制造路径。不过，这个领域目前正处于发展阶段。企业正在开发原型策略，但当前执行这些方法的成本太高，以至于不具备商业可行性。

如今，通常使用拾放式转移方法制造MicroLED。在这种方法中，红色、绿色和蓝色的LED直接在晶圆上制造，然后单独转移到背板上，而背板包含了基板和控制光所需的电子部件。制造中，需要快速、精确而且可靠的巨量转移工艺，以确保所有LED在背板上都能够正确对齐。

拾放式转移方法流程

尽管大规模制造存在一些挑战，LG、索尼和三星等企业仍在开发大型高端MicroLED电视。当然，在它们面向消费者推出之前，仍需要解决许多设计和规模挑战。目前，由于耗时且成本高昂的拾放式制造流程，这些电视的成本非常高昂。

MicroLED技术尚未成熟，设计人员可以在制造流程中采用许多不同的半导体制造方法。开发人员在MicroLED设计中的一些关键考虑因素包括：

• 大规模像素阵列在宏观层面的非相干发射。为了避免这种情况，设计人员可以使用滤光片、透镜、颜色转换层、散射结构、偏光片和光栅等其他光学元件来改进显示器的颜色定义。

• 小尺寸LED具有更严格的公差要求。尺寸变化和未对齐的公差对于小型LED来说变得更加严格，尤其是在像素密度增加的情况下。

• 如果LED边缘存在原子尺度缺陷和结构不完善，会导致器件内部效率下降。

• 为了适应不断缩小的子像素尺寸，对高度紧凑、节能且复杂的薄膜晶体管（TFT）驱动器的需求正在增加。子像素包含了在显示器中创建颜色所需的RGB元素，因此TFT必须快速准确地控制每个像素，

• 以避免在生产的任何阶段可能出现的缺陷。即使是制造过程本身，也仍然可能产生死像素，因此必须对这些问题加以考虑。

近年来，OLED显示器和OLED技术已成为黄金标准，但它们与MicroLED有何不同？有许多不同的指标可用于衡量OLED、MicroLED、LCD和mini-LED性能。总体来说，MicroLED技术的结构更简单，可生成更高质量的图像，因为它具有更高的对比度和更快的响应时间。此外，MicroLED显示器也可以像OLED显示器一样制作成柔性的。

MicroLED凭借以下优势，从其他LED技术中脱颖而出：

• 更小、更明亮的像素，具有改进的色域。MicroLED的亮度超过100,000 nits，而OLED的亮度为500-1,000 nits，LCD的亮度为3,000 nits。一些MicroLED显示器的亮度级可能超过250,000 nits。更高的亮度不会导致效率下降、老化或不利的热效应

• 从理论上说，其外量子效率（EQE）比OLED提高了10%左右

• 使用寿命更长，因为无机材料制成的LED相较于有机材料制成的LED更具耐久性

• 抗氧化和其他环境影响

• 更宽的工作温度范围（-100至120°C）

• 在阳光下更好的可见性和更广的可视角度

• 纳秒级的快速响应时间，而其他显示器的响应时间为微秒或毫秒级

• MicroLED（在蓝光LED应用方面）有望成为QLED电视内部量子点发光的光源

尽管MicroLED尚未达到商业成熟阶段，但其相较于其他LED技术在亮度、柔性、图像质量及使用寿命等方面的显著性能提升，已使其得以应用于多种先进显示技术领域。一些主要的MicroLED使用示例包括：

• 智能手表和健身手环等可穿戴技术

• MicroLED电视

• 增强/虚拟现实（AR/VR）眼镜和耳机

• 汽车和航空航天行业的抬头显示器（HUD）

• 中央集群显示器

• 汽车前照灯

• 高速光通信

• 柔性可拉伸的显示器

工程师可以首先通过仿真方法来可视化LED或显示器的工作表现，以克服MicroLED中的诸多设计挑战。Ansys提供了一系列工具，可用于在进行物理制造之前对MicroLED性能进行仿真：

Ansys Lumerical STACK求解器：对MicroLED中的不同材料层进行仿真，以显示光是如何反射、折射和透射的。STACK求解器还可计算LED的发射功率和功率密度。

Ansy Lumerical FDTD求解器：对LED的远场发射方向图和提取效率进行仿真。FDTD求解器还可以与Ansys Speos设计工具配合使用，计算锥光坐标中的光谱强度。

Ansys Lumerical CHARGE和Ansys Lumerical MQW求解器：对LED的电流-电压（I-V）曲线、自发发射功率频谱和内部量子效率进行仿真。

Ansys Lumerical求解器工作流程概览

Ansys Speos软件：使用来自Lumerical套件求解器的光谱强度数据执行系统级仿真，并充当虚拟光度实验室。利用该工具，工程师可以检查全色域并执行辐射测试。