韓國研究團隊成功開發出無電容Micro LED顯示架構

CINNO Research產業資訊，在顯示技術向 “超高清、低功耗、微型化” 邁進的關鍵階段，一項來自韓國科研團隊的突破性成果引發行業高度關注。近日，高麗大學、三星顯示與印度希瓦吉大學等機構聯合在《極端制造》期刊上發表研究論文，提出一種基于碲化鍺（GeTe）憶阻器的無電容AM Micro-LED顯示架構。該技術通過單片集成亞伏級憶阻器驅動像素，不僅成功替代傳統晶體管 - 電容組合，更實現了48.1%的功耗降低、93.1%的超高開口率，以及6000PPI以上的像素密度潛力，為AR/VR、智能穿戴、醫療影像等高端顯示場景提供了全新解決方案。

Micro-LED顯示困局：傳統架構難破 “三難” 瓶頸

作為被業界公認的 “下一代顯示技術標桿”，Micro-LED憑借其優異的光電性能 —— 包括 1000nits 以上的峰值亮度、納秒級響應速度、百萬級對比度及超過10萬小時的使用壽命 —— 自誕生以來便承載著突破現有顯示技術局限的期待。目前，Micro-LED已在超大尺寸電視、拼接屏等領域實現初步應用，但在AR/VR頭顯、智能手表、醫療微創手術顯示器等對 “分辨率、功耗、體積” 要求嚴苛的場景中，卻長期受限于三大核心瓶頸，商業化進程緩慢。

瓶頸一：像素密度受限于 “晶體管 + 電容” 架構，傳統AM Micro-LED顯示采用 “2T-1C”（2個晶體管 + 1個電容）的單元像素設計，其中電容負責存儲電荷以維持像素亮度，晶體管則負責信號開關與電流調控。然而，隨著像素尺寸縮小至10μm以下，電容的存儲容量與晶體管的短溝道效應問題愈發突出 —— 電容面積若按比例縮小，會導致電荷泄漏加劇，需頻繁刷新；晶體管尺寸減小則會引發電流波動，影響顯示穩定性。這種 “元件尺寸與性能” 的矛盾，使得傳統架構下Micro-LED像素密度難以突破3000PPI，遠不能滿足AR/VR設備對 5000PPI以上分辨率的需求。

瓶頸二：高功耗源于電容的固有缺陷，電容的電荷泄漏特性是傳統Micro-LED顯示功耗居高不下的核心原因。為維持像素亮度穩定，驅動電路需每幀（約16.7ms）對電容進行一次電荷補充，即 “刷新操作”。數據顯示，一臺采用傳統架構的5.5英寸2K分辨率Micro-LED顯示屏，僅刷新操作消耗的功耗就占總功耗的35%以上。在AR/VR頭顯等依賴電池供電的設備中，高功耗直接導致續航時間縮短至2-3小時，成為用戶體驗的關鍵短板。

瓶頸三：制造復雜度推高成本與良品率風險，傳統Micro-LED 顯示的制造流程涉及兩大關鍵難題：一是 “芯片轉移”，需將數百萬顆微米級LED芯片從藍寶石襯底轉移至驅動背板，現有 “拾取 - 放置” 技術存在效率低、機械對準誤差大的問題，轉移良率難以突破99.99%；二是 “多層集成”，晶體管與電容需通過多次光刻、退火、薄膜沉積等工藝制備，僅2T-1C架構就需 13 道掩膜工序，不僅增加制造成本，還易因工藝步驟過多導致缺陷率上升。據行業測算，傳統Micro-LED顯示屏的制造成本是同尺寸OLED的3-5倍，嚴重制約其大規模普及。

盡管行業曾嘗試通過 “單片集成晶體管”、“CMOS 驅動背板” 等方案突破瓶頸，但前者面臨晶體管與LED芯片的熱匹配問題（LED工作時局部溫度升高會導致晶體管性能漂移），后者則因硅襯底與GaN外延層的熱膨脹系數差異，導致芯片剝離與封裝難度陡增，均未能實現根本性突破。

技術突破1：GeTe憶阻器實現 “單元件雙功能替代”

面對傳統架構的固有缺陷，上述韓國聯合研究團隊創新性地提出 “以憶阻器替代晶體管 + 電容” 的核心思路，選擇GeTe（碲化鍺）作為憶阻器核心材料，憑借其獨特的 “電阻態可控性” 與 “電荷保持能力”，成功實現了單元件對傳統架構中兩個核心元件的功能替代，從根本上重構了Micro LED的驅動邏輯。

核心突破1：亞伏級運行，功耗降低48.1%

GeTe憶阻器最顯著的優勢在于其極低的工作電壓與優異的電流調控能力。測試數據顯示，該憶阻器的SET電壓（從高阻態切換至低阻態的電壓）僅為0.17V，RESET電壓（從低阻態切換至高阻態的電壓）為- 0.15V，遠低于傳統IGZO TFT晶體管1.5-3V的閾值電壓。在驅動10μA Micro-LED工作電流時，GeTe憶阻器的功耗僅為10nJ，而傳統IGZO TFT的功耗則高達60-120000nJ，差距最高可達1.2萬倍。

更關鍵的是，GeTe憶阻器無需依賴電容存儲電荷 —— 其內部形成的 “導電細絲” 在SET操作后可半永久穩定存在，直至施加RESET電壓才會湮滅。這意味著像素亮度可在無任何刷新操作的情況下維持，徹底消除了傳統架構中因刷新產生的額外功耗。測試數據顯示，在 12×12 Micro-LED陣列測試中，GeTe憶阻器驅動方案的每幀功耗為21.9mW，較傳統IGZO TFT方案的42.1mW降低48.1%；在 “常亮顯示”（如智能手表的時間界面）場景中，功耗優勢更可擴大至408%，續航時間有望延長3-4倍。

核心突破2：多電阻態特性，實現亮度精準調控

為滿足顯示場景對 “灰度級” 的需求，研究團隊通過調控GeTe憶阻器的限流電流，成功實現了 “1個高阻態 + 3個低阻態” 的四檔電阻調節，對應Micro-LED的 “熄滅” 與 “低、中、高” 三檔亮度。測試結果顯示，在2.7V的工作電壓下，憶阻器處于高阻態（HRS）時，Micro-LED的驅動電流僅為21nA，幾乎無發光；處于低阻態 LRS_1（176.3Ω）時，電流可達26.6μA，發光強度達到380nits；LRS_2（717.2Ω）與LRS_3（2.7kΩ）則分別對應15.3μA、3.93μA的電流與270nits、160nits的亮度，亮度分級清晰且穩定。

這種多電阻態特性不僅簡化了灰度調節電路，還具備進一步擴展的潛力。研究團隊指出，通過優化限流電流的調節精度（如采用增量步長脈沖編程技術），GeTe憶阻器可實現256級以上的電阻態控制，完全滿足全彩色顯示對灰度級的需求。

核心突破3：高穩定性與工藝兼容性，掃清量產障礙

商業化顯示器件對 “長期穩定性” 的要求極為嚴苛，而 GeTe 憶阻器在這一維度的表現同樣突出。論文數據顯示，該器件在 25℃環境下，各電阻態的電流穩定性可維持105秒（約27.8小時），通過阿倫尼烏斯熱穩定性模型推算，在Micro-LED典型工作溫度（50℃）下，數據保持時間可超過10年；同時，其開關循環耐力達到104次，雖暫未達到商用顯示10?次的要求，但研究團隊表示，通過優化GeTe薄膜的結晶度與電極界面設計，耐力有望提升至1012 次，滿足50000小時以上的使用需求。

在制造工藝兼容性上，GeTe憶阻器更是展現出顯著優勢。與傳統TFT需要300℃以上高溫退火不同，GeTe憶阻器的制備可在室溫下完成，且無需復雜的離子注入或摻雜工藝。研究團隊采用 “臺面刻蝕 - 鈍化層沉積 - 憶阻器集成” 的單片工藝，僅需9道掩膜工序即可完成12×12 Micro-LED陣列的制備，較傳統2T-1C架構減少4道關鍵工序，不僅降低了工藝復雜度，還避免了芯片轉移過程中的機械損傷風險，良率提升至95%以上。

12×12陣列實現清晰字符顯示，6000PPI潛力可期

為驗證無電容驅動架構的可行性，研究團隊設計并制備了基于GeTe 憶阻器的12×12有源矩陣Micro-LED陣列，通過FPGA驅動板實現了像素的獨立尋址與亮度調控，并成功完成了字母“A”、“S”、“L”的顯示驗證，為技術的實際應用奠定了基礎。

陣列設計：交叉結構實現精準尋址

該12×12陣列采用 “橫向電源線 + 縱向數據線” 的交叉設計，其中電源線（VDD）貫穿每行像素，提供工作電壓；數據線（Vdata）則連接每個單元像素中GeTe憶阻器的底部電極，負責施加SET/RESET電壓以調控憶阻器的電阻態。這種設計的核心優勢在于 “無串擾”—— 通過控制特定行的電源線與特定列的數據線電壓差，可精準選中單個像素，避免相鄰像素的誤觸發。例如，當需要點亮某一像素時，僅需對對應數據線施加2.4V電壓，電源線施加2.7V 電壓，形成0.3V的SET電壓差，即可使憶阻器從高阻態切換至低阻態，驅動Micro-LED發光。

顯示效果：亮度均勻，字符清晰可辨

實驗測試中，研究團隊通過調節憶阻器的電阻態，實現了字符亮度的分級顯示 —— 字母 “A” 采用 LRS_3（低亮度）、“S” 采用 LRS_2（中亮度）、“L” 采用 LRS_1（高亮度），三種亮度的對比度達到2.4:1，肉眼可清晰區分。同時，通過脈沖寬度調制（PWM）技術，團隊進一步驗證了灰度調節能力：在2.7V固定電壓下，將脈沖占空比從20%提升至80%，Micro-LED的發光強度從54nits線性增加至216nits，線性度誤差小于5%，滿足顯示場景對灰度均勻性的要求。

更值得關注的是該架構的 “像素密度潛力”。 研究人員 指出，當前實驗中 Micro -LED與憶阻器的尺寸分別為30μm與10μm，對應像素密度約651PPI；若通過高精度光刻技術將 Micro -LED尺寸縮小至3μm，憶阻器尺寸同步縮小至1μm，像素密度可突破6000PPI，遠超當前 AR/VR設備對5000PPI的需求，甚至可滿足未來 “視網膜級” 微顯示的技術標準。

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