片上有机发光二极管瞄准便携式应用

片上有机发光二极管瞄准便携式应用

     如果将对角线尺寸小于一英寸的高分辨率有机发光二极管(OLED)微型显示器进行放大，那么它能够很容易地显示大的图像，且效果与在计算机屏幕或大屏幕TV没有太大差别。这种光学显示模块适用于许多终端产品，如手机和其它手持网络和电信设备，使用户能通过袖珍设备访问完整的Web页面、传真页面、数据清单和地图。图像通过透明光学结构可与外部世界进行叠加。或者，如为双眼各配备一个显示器，则可创建真正的3维立体图像。
    
     随着硅片性能的提高及显示器技术的发展，上述的应用已成为可能。在硅片方面，其尺寸日益减小，使得在单个芯片上已能实现功能的高度集成。而显示器这边，像素寻址方面的技术已取得进展(从无源矩阵到有源矩阵)，工作电压也大为降低(LCD的工作电压从80年代中期的40V左右降到现在的3V以下)。此外，基于有机光发射器的低压发射技术的出现还为业界提供了一种替代液晶显示器的显示技术。
    
     与平板显示器一样，OLED图像特征的目标应达到在视觉效果上能与CRT匹敌，或比彩色CRT计算机显示器(这种显示器的性能明显优于电视CRT)更精确。这就要求OLED的亮度至少为100cd/m2，对比度大于100:1。
    
     一般而言，每种原色需要256级灰度，在色域或色彩范围上应等同或超过标准的彩色CRT。为在显示视频信息时能与CRT不相上下，OLED微型显示器在灰度内上升和下降的时间必须在几毫秒之内。
    
     尽管发光效率一直是显示器中倍受关注的问题，但它对那些用于手持设备或可配戴产品的微型显示器而言，显得尤为重要。例如，用发光效率为1流明/瓦的白色OLED发射器制成经过滤的白色微型显示器，其功耗大约为0.25W(假设芯片的有效面积1cm2，表面亮度为150cd/m2)。
    
     根据功能集成的程度，控制及驱动电路还要另外消耗150mW，这样一来该微型显示器子系统的全部功耗为0.4W。
    

     在硅片上集成OLED是满足微型显示器各种需求的最佳途径。OLED是一种能工作在3-10V电压下的高效率郎伯(Lambertian)发射器，可容易地利用低成本的硅来实现。即使大多数时候OLED可工作在极低的电压下，但它还是能提供极高的亮度(>100,000cd/m2)，该特性对应用于军事飞行员的头盔特别重要。由于亮度与电流成线性关系，因此灰度等级的控制可很容易地通过电流控制像素电路来实现。
    
     OLED的速度极快，比液晶的响应速度更快，这对视频显示来说是一个很重要的特性。它的构成也相当简单，包括薄的有机真空蒸发层、很薄的金属层和一个透明的导体氧化层。一个8英寸的晶圆最多可生产出750个小显示屏(QVGA格式，采用12mm彩色像素点距，裸片尺寸为7mm×5mm)，包括硅片上嵌入的接口和驱动电路。在晶圆被分割成单个的显示屏之前，可一次性完成加工过程，包括密封过程。
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     2000年初，eMagin公司推出用作计算机或视频显示器的全彩色支持视频的OLED微型显示器。通过光放大器件，这种SVGA+高分辨率微型显示器可创建出类似于计算机监视器或大型TV显示屏真实图像的虚拟图像。该显示器拥有150多万个潜在的彩色子像素单元(600×3×852像素)，并在显示矩阵中为每个像素元素存储了所有的色彩和亮度值信息，从而消除了在其它高分辨率显示技术中常见的闪烁或色彩衰减问题。
    
     矩阵显示操作通常有两种基本的实现方法：无源和有源模式。无源模式依靠数据和所选的驱动器，以便在像素矩阵的正确位置提供所需的信息。因此，每个像素将电信息转换成光调制信息所需的时间总和与矩阵中像素的数量成反比。更精确的情况下，由于采用并行的寻址技术，寻址时间与矩阵的行数成反比。因此，这种寻址方式实际上并不适用于需处理高信息容量的视频速率平板显示器(其格式大于QVGA彩色格式)。
    
     有源寻址方式随着LCD平板显示器的风行而流行起来，它将一个个存储单元置于每个像素单元中。这种方法的优点已在笔记本和现在的一些台式机平板显示器中展现出来。尽管有源寻址方式的实现需要额外的基底工艺，且价格要高于无源寻址显示器，但现在它已成为一种可以接受的标准，与以往不同，其价格也不再是一种障碍。通过结合一个行缓冲区和一个垂直条形色彩像素排列，该方式不仅优化了像素把电数据转换成光调制信息的时间，而且优化了将源信息传输到像素存储单元的时间。这样既减少了带宽需求，又扩大了基底性能的容限。
    
     CMOS是应用于便携式系统的高信息容量微型显示器的首选技术，它能适应数字或模拟输入或两者皆可，并很容易地构建了一个很的基础架构，因此不需要显示器开发商投入额外的资金。CMOS工艺的进步远远超过了显示技术本身的需求。但是有时，这种工艺更新速度过快(3-5年前的工艺技术就被认为是过时的)、电压过高的特点也可能是成为一种缺点。事实上，大多数显示技术在电压等级上都滞后于集成电路的发展。这限制了材料的发展，如LCD微型显示器耐压的降低就延缓了产品的开发。
    
     影响微型显示器芯片性能的关键因素在于控制每个像素亮度的电路。为了理解电气需求，这里需要回顾一下有关OLED的一些基本原理。
    
     有机发光二极管由柯达公司的C. W. Tang 和S. A. Van Slyke 发明。他们发现p型和n型有机半导体结合起来可形成二极管，完全类似于晶体管半导体中p-n结的形成。而且，对于砷化镓及相关的III-V族元素二极管，注入的空穴与电子的再次结合将高效地产生光。
    
     与III-V LED复杂的制造过程(必须完成结晶)不同，有机半导体则可作为非晶体膜被蒸发，因此不需要进行结晶。
    
     目前，柯达OLED的原型产品已被先锋公司用于消费类产品中，它是一种向下发射的堆栈结构，光通过一个透明的玻璃基底射出。
    
     为了在一个不透明的硅片上使用它，我们需对该堆栈进行一些修改，使之从一个功能很强的金属正极开始，到一个透明的阴极为止，并带有一层透明的铟锡氧化物(ITO)。我们也可通过采用一个的diphenylene-vinylene型蓝-绿发射器(它被涂成红色以产生白色光谱)，将有源层变为一个白光发射器。，
    
     尽管片上OLED微型显示器可能有上百万个子像素，但它的构成仍相当简单，因为其复杂性全都体现在基底上。每一个子像素都对应一个红、绿或蓝的点，并有一个很小的电极焊盘(大约3.5×13.5微米)与提供电流的底层电路相连。利用蒸发器的阴影掩膜，OLED层可沉积在整个有源区域中，包括所有像素共用的阴极。由于材料的横向导电性很差，因此即使有机膜非常薄，它也不会将电流从一个像素引向另一个像素。在这样薄的一个结构里，光也不会漏到邻近的像素上，因此甚至相邻像素之间的对比度得到了保证。
    
     微型显示器产生色彩的首选方法是采用滤色镜或色彩转换材料(CCM)。该滤色镜与液晶显示器中使用的滤色镜完全一样，它与上述的白色发射器联接起来，可产生均匀的色彩显示。当然，每个滤色镜只能吸收2/3的光，因此更有效的方法是使用CCM，由此通过吸收和再发射，蓝色发射器发出的蓝光可被转换成绿色或红色。在该系统中，假如CCM有效的话，损失的光将不到一半。
    
     OLED 器件对潮湿非常敏感，潮湿会破坏阴极材料。其次是对氧气很敏感，因为氧气可能会使有机物氧化。因此，制造出OLED后，在将其暴露于外界环境之前必须用惰性气体进行密封。片上OLED可用一层eMagin公司开发的薄膜来进行密封。由于只有在这种薄膜密封物内完成钝化后，微型的滤色镜才能装在白色OLED顶部，所以该薄膜密封物对全色彩OLED微型显示器的开发而言就十分关键。
    
     在一个基本的有源矩阵OLED像素单元中，通过OLED的电流是由一个输出晶体管控制的，并且所有的发射器件都共享同一个阴极(其上加了一个负偏压)。设置偏压是为了获得全部的动态范围。由于该输出晶体管的耐压能力有限，取决于所采用的硅工艺，所以OLED亮度：电压值必须很大，例如100:1，因为这样才能在电压幅度为4V或更少的系统中获得大的亮度变化。