CN114822378B - 一种全彩led器件控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全彩LED器件控制方法，该器件由多个像素点构成，每个像素点由单颗无颜色转换材料的芯片构成。该单颗芯片在大电流密度下发光为蓝色，在中电流密度下发光为绿色，在小电流密度下发光为红色。通过脉冲宽度调制方法（PWM）调节电流大小来实现不同颜色，调节占空比来实现不同亮度，最终实现每个像素点单芯片全彩显示。本发明在单颗无颜色转换材料的芯片上实现了全彩发光，相对于不同颜色LED芯片多次转移，本发明只需要单次转移即可，避免了多次转移工艺复杂性和高成本问题，提高了显示的空间像素，有益于批量化实现Micro LED芯片的集成。另一方面本发明LED器件发光性能稳定、可靠性高，不存在颜色转换材料不稳定性和有毒等问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，尤其涉及一种全彩LED器件控制方法。
背景技术
Micro LED显示技术作为一种独特的显示器，可以应用于智能眼镜、智能手机、VR/AR、头戴式显示器、抬头显示器等，受到业界内的广泛关注。与传统LCD和OLED相比，MicroLED具有自发光、低功耗、高分辨率、高亮度和使用寿命长等优点，被认为是将颠覆传统的新一代显示技术，已成为 LED 产业领域新的增长和爆发点。
目前Micro LED显示技术主要有三种，第一种是目前研究最广泛的芯片巨量转移技术，先将第一种颜色的芯片转移到集成基板，然后将第二种颜色的芯片再转移到此集成基板上，最后再转移最后一种颜色到同基板，三种颜色混合实现全彩显示，此方法中第二次、第三次芯片转移过程易对已转移的芯片产生影响，且多次转移易损坏集成基板和各种元器件，目前还未实现大批量生产。第二种方法是一次性批量转移短波长单色LED芯片到集成基板上，然后在各芯片上涂覆红、绿色量子点转换材料，利用短波长单色LED芯片辐射的高能光子激发红色、绿色量子点转换材料实现全彩显示，然而此种方案中量子点转换材料在高温、高湿或其他条件下会变得不稳定，部分量子点转换材料还具有一定的毒性，这不仅不利于显示，也会对人体和环境带来一定的危害。第三种方法也是一次性批量转移各芯片到集成基板上，但只能显示单色像素，无法做到全彩显示。
鉴于当前Micro LED显示技术所遇到的各种问题，如何实现在同一基板上使用单芯片同时转移实现Micro LED全彩显示成为目前迫切需要解决的主要技术问题。复旦大学田朋飞等人采用在同一晶圆上生长包含多发射波长的多量子阱结构，通过PWM方式改变驱动电流占空比来调制单芯片的显示亮度，从而实现在同一外延衬底上单芯片Micro-LED器件发射不同颜色的波长。但是他们实现单芯片全彩的方法在空间上需要不同的芯片，如第一颗芯片调制为红光、第二颗芯片调制为黄光、第三颗芯片调制为蓝光，每个像素点还是由3颗芯片完成，因此像素空间分辨率更低，且封装体积更大，不利于Micro-LED集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现无荧光粉单芯片像素单次转移全彩LED器件控制、大大简化Micro LED全彩显示制备流程、降低生产成本的全彩LED器件控制方法，该控制方法完全实现了每个像素点由一颗芯片完成，对同一颗芯片调制为三种不同颜色，最终实现彩色发光，因此像素空间分辨率更高，更有利于Micro-LED封装集成。
本发明的目的是这样实现的：
一种全彩LED器件控制方法，该全彩LED器件由多个像素点构成，每个像素点均由单颗无荧光粉（或量子点转换材料）芯片构成，该全彩LED器件中单芯片在大电流密度下发光颜色为蓝色，在中电流密度下发光颜色为绿色，在小电流密度下发光颜色为红色，其特征在于：将外延片按照显示要求制备出相应尺寸的LED芯片，通过脉冲宽度调制方法（PWM）调控电流密度大小实现不同颜色显示，调控单位时间内的占空比来实现不同亮度显示，利用人眼对单位时间内不同组合图像分辨来实现单芯片全彩LED显示。
该控制方法的具体步骤如下：
步骤一：在衬底上生长外延片；
步骤二：将步骤一的外延片采用LED芯片制备工艺，进行激活、光刻、刻蚀、蒸镀金属、基板转移、粗化、钝化、电极制作步骤，制备得到LED芯片，在不同电流密度下，LED芯片的发光波长从440nm变到620nm；
步骤三：将步骤二得到的LED芯片与驱动电路板焊接，采用脉冲宽度调制注入电流的大小和占空比来实现亮度均衡的彩色发光；具体调节方法为：
A、定义ILED为通入LED芯片的电流，单位为毫安，ILED=R（红光对应电流），ILED=G（绿光对应电流），ILED=B（蓝光对应电流），ILED=0（不通电流）；其中R＜G＜B；
B、定义delay函数，delay（t）表示保持前一条语句的时间，单位为微秒；
C 、发光控制命令：
a.发红光：ILED=R；delay(t1)；ILED= 0；delay(t-t1)；
b.发绿光：ILED=G；delay(t2)；ILED= 0；delay(t-t2)；
c.发蓝光：ILED=B；delay(t3)；ILED= 0；delay(t-t3)。
其中，脉冲宽度调制时红光的占空比为t1/t, 绿光的占空比为t2/t, 蓝光的占空比为t3/t；其中t1＞t2＞t3，而总时间t为调节到R电流下开t1、关t-t1时最大亮度红光的时间。
随着测试电流密度从大电流密度变化到小电流密度，该LED芯片的发光波长从440nm变化到620nm。
该LED器件控制方法脉冲宽度调制时需要同时变化电流密度和占空比。
脉冲宽度调制时三种颜色发光顺序没有限制，可以为abc的任何一种或几种组合。
所述全彩LED器件可以用于单颗像素多颗芯片micro LED全彩显示，也可以用于单颗像素多颗芯片大尺寸全彩显示。
本发明利用LED在不同电流密度下能带填充的高度不一样，小电流时能带填充较少，导致相对禁带宽度较小，大电流时能带填充较多，相对禁带宽度变大。因此小电流下发红光，大电流下发蓝光，再利用人眼对光的收集作用，小电流占空比大时可以识别出同等亮度红光，大电流占空比小时识别出同等亮度蓝光，依次类推做到其他颜色的发光，从而实现单芯片全彩色LED控制。因此可以利用此原理将外延片按照显示要求制备出相应尺寸的LED芯片，此LED芯片在大电流密度下发光颜色为蓝色、中电流密度下发光颜色为绿色、小电流密度下发光颜色为红色，并通过脉冲宽度调制（PWM）的驱动方法改变驱动电流大小实现单芯片显示不同的波长，改变占空比实现单芯片显示不同的亮度，最终实现单芯片全彩LED显示。
因此，本发明通过脉冲宽度调制实现单芯片全彩LED的方法，能实现无荧光粉单芯片像素单次转移全彩LED器件控制，大大简化Micro LED全彩显示制备流程，降低了不同颜色LED外延制造和芯片集成的成本，降低了芯片集成转移精度要求，有益于批量化实现Micro LED芯片的封装集成。一方面相对于不同颜色LED的多次转移，本发明只需要单次转移即可实现全彩，避免了多次转移的工艺复杂性、不稳定性和高成本以及单次转移只能显示单色的问题。另一方面本发明LED材料发光性能稳定、可靠性高，不存在量子点颜色转换材料的不稳定性和有毒等问题。本发明完全实现了每个像素点由一颗芯片完成，对同一颗芯片调制为三种不同颜色，最终实现彩色发光，因此像素空间分辨率更高，解决了MicroLED全彩显示中多芯片像素空间分辨率低、易对集成元器件产生损害等问题。
附图说明
图1为本发明使用的单芯片LED器件峰值波长随电流变化示意图；
图2为本发明控制方法脉冲宽度调制方式示意图；
图3为本发明采用脉宽宽度调制实现单颗芯片发红光、发绿光和发蓝光，三种发光对应于CIE 1931色度图中的坐标位置图；
图4为本发明采用脉宽宽度调制实现单颗芯片发白光，对应于CIE 1931色度图中的坐标位置图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施列1：
本实施例中全彩LED器件控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一：在衬底上生长外延片；
步骤二：将步骤一的外延片采用LED芯片制备工艺，进行激活、光刻、刻蚀、蒸镀金属、基板转移、粗化、钝化、电极制作步骤，制备得到LED芯片；随着电流密度从大电流变化到小电流，LED芯片的发光波长从440nm变到620nm；如图1所示；
步骤三：将步骤二得到的LED芯片与驱动电路板焊接，采用脉冲宽度调制注入电流的大小和占空比来实现亮度均衡的彩色发光；具体调节方法为：
①定义ILED为通入LED芯片的电流，ILED=10mA（发红光对应电流），ILED=100mA（发绿光对应电流），ILED=300mA（发蓝光对应电流），ILED=0（不通电流）；
②定义delay函数，delay（t）表示保持前一条语句状态的时间，单位为微秒；
③发光分开控制命令：
a.发红光：ILED=10；delay(90)；ILED= 0；delay(10)；
b.发绿光：ILED=100；delay(9)；ILED= 0；delay(91)；
c.发蓝光：ILED=300；delay(3)；ILED= 0；delay(97)。
将步骤二所示的单芯片LED按照以上控制命令得到的红光、绿光和蓝光显示在CIE1931色度图对应位置如图3所示。
实施列2：
本实施例中通过脉冲宽度调制使单颗芯片发红光、绿光和蓝光，再通过控制脉冲宽度调制每种颜色的时间占空比，时间上混合实现白光LED芯片控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一：在衬底上生长外延片；
步骤二：将步骤一的外延片采用LED芯片制备工艺，进行激活、光刻、刻蚀、蒸镀金属、基板转移、粗化、钝化、电极制作步骤，制备得到LED芯片；随着电流密度从大电流变化到小电流，LED芯片的发光波长从440nm变到620nm；如图1所示；
步骤三：将步骤二得到的LED芯片与驱动电路板焊接，采用脉冲宽度调制注入电流的大小和占空比来实现白光发光；具体调节方法为：
①定义ILED为通入LED芯片的电流，ILED=10mA（发红光对应电流），ILED=100mA（发绿光对应电流），ILED=300mA（发蓝光对应电流），ILED=0（不通电流）；
②定义delay函数，delay（t）表示保持前一条语句状态的时间，单位为微秒；
③发白光控制命令：
红光：ILED=10；delay(90)；ILED= 0；delay(10)；
绿光：ILED=100；delay(9)；ILED= 0；delay(91)；
蓝光：ILED=300；delay(3)；ILED= 0；delay(97)。
三条语句循环重复，循环重复间隔时间小于5ms；
将步骤二所示的单芯片LED按照以上控制命令得到的白光显示在CIE 1931色度图对应位置如图4所示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种全彩LED器件控制方法，该全彩LED器件由多个像素点构成，每个像素点均由单颗无颜色转换材料芯片构成，该全彩LED器件中的单颗无颜色转换材料芯片在大电流密度下发光颜色为蓝色，在中电流密度下发光为绿色，在小电流密度下发光为红色，其特征在于：将外延片按照显示要求制备出相应尺寸的LED芯片，通过脉冲宽度调制驱动方法调控驱动电流大小实现单芯片显示不同颜色，调控单位时间内的占空比来实现单芯片显示不同的亮度，利用人眼对单位时间内不同组合图像分辨来实现单芯片全彩LED显示；
该全彩LED器件控制方法的具体步骤如下：
步骤一：在衬底上生长外延片；
步骤二：将步骤一的外延片采用LED芯片制备工艺，进行激活、光刻、刻蚀、蒸镀金属、基板转移、粗化、钝化、电极制作步骤步骤，制备得到LED芯片，在不同电流密度下，LED芯片的发光波长从440nm变到620nm；
步骤三：将步骤二得到的LED芯片与驱动电路板焊接，采用脉冲宽度调制注入电流的大小和占空比来实现亮度均衡的彩色发光；具体调节方法为：
A、定义ILED为通入LED芯片的电流，单位为毫安，ILED=R，ILED=G，ILED=B，ILED=0；其中R＜G＜B，R红光对应电流，G为绿光对应电流，B为蓝光对应电流，0为不通电流；
B、定义delay函数，delay（t）表示保持前一条语句的时间，单位为微秒；
C 、发光控制命令：
a.发红光：ILED=R；delay(t1)；ILED= 0；delay(t-t1)；
b.发绿光：ILED=G；delay(t2)；ILED= 0；delay(t-t2)；
c.发蓝光：ILED=B；delay(t3)；ILED= 0；delay(t-t3)；
其中，脉冲宽度调制时红光的占空比为t1/t, 绿光的占空比为t2/t, 蓝光的占空比为t3/t；其中t1＞t2＞t3，而总时间t为调节到R电流下开t1、关t-t1时最大亮度红光的时间；
该LED器件控制方法在脉冲宽度调制时需要同时变化电流密度和占空比。
2.根据权利要求1所述的全彩LED器件控制方法，其特征在于：随着测试电流密度从大电流密度变化到小电流密度，该LED器件的发光波长从440nm变化到620nm。
3.根据权利要求1所述的全彩LED器件控制方法，其特征在于：脉冲宽度调制时三种颜色发光顺序没有限制，为abc的任何一种或几种组合。
4.根据权利要求1所述的全彩LED器件控制方法，其特征在于：所述全彩LED器件用于单颗像素多颗芯片micro LED全彩显示，或用于单颗像素多颗芯片大尺寸全彩显示。
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