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    光电子显示技术的发展趋势

    2006-03-24

          摘要:作者前一段时间参加了刘颂豪院士主持的《广州市光电子产业发展思路研究》软课题调研组,旨在为广州市的领导者在发展光电子产业的决策中提供客观和科学的参考。课题组在查阅大量的国内外有关光电子产业发展动态资料的同时,先后去了长春、武汉、北京等光电子产业发展活跃的地区进行了较为细致的考察,此外又与广州市的诸多光电子产业的企业家、大学教授以及科研人员多次举行座谈。对广州市光电子产业发展思路构建了较为清晰的轮廓,其中对广州市提出应以“光电子显示技术作为龙头”,即以照明显示为核心,实现广州市光电子产业跨越式发展的建议。本文将着重对LED和DLP(DMD)等目前几种主要的光电子显示器件的技术发展趋势予以简要阐述。 
    关键词:光电子显示器件,LED,PDP, FED,OLED,DLP(DMD)
    引言
          鉴于光电子技术和产业已成为21世纪高科技竞争的焦点,随着全球信息化时代技术创新浪潮的日益高涨,我国的科技界和企业界以及政府部门对迅速发展的光电子技术和产业的深远意义和巨大潜力皆予以足够充分的重视。作为经济发展迅速的广州市,在发展光电子技术和产业方面,只有抓住机遇,选准方向,在市场的牵引下,有所创新,有所突破。相信一定会把广州市的光电子技术和产业的发展推向国际信息化的前沿,成为一个与时俱进的现代化的都市。 
          目前,广州市已基本建立了以广州科学城为基地的光电子产业园区,随着科学城开发面积的扩大,以广州科学城为中心的光电子产业的硬件环境已日益完善。现已吸引了多家外企落户广州科学城,建立了诸多的以光电子产品为主的企业集团公司。在市场需求的牵引下,一些企业已逐步形成了一定的产业规模。现已初步形成以液晶显示(LCD)、发光二极管(LED)、等离子体显示(PDP)、场发射平板显示(FED)、有机发光二极管(OLED)、数字光处理投影显示(DLP)、全息显示(HOLOD)为主的光电子显示产品的产业群。此外,激光加工技术及其产业和光传输、光器件也在原有的基础上得以迅速发展;光盘驱动器、激光视盘产品、光盘产品现已形成超过数十亿元人民币产值的规模。在广州市光电子产业园区光电子产业的产值大约为95亿元人民币。据预测,在今后2-3年内,产值将达到275亿元人民币,而到2005年则可形成360亿元人民币的产值。基于上述产业发展的特点,建议广州市应进一步整合光电子产业显示领域的产业结构链,形成更为合理的产业配套。
          在光电子产业的光电子显示领域里,液晶显示(LCD)、发光二极管(LED)、等离子体显示(PDP)、场发射平板显示(FED)、有机发光二极管(OLED)、数字光处理投影显示(DLP)、全息显示(HOLOD)是站主导地位的显示技术,下面着重简要介绍发光二极管(LED)和数字光处理投影显示(DLP)。
    1,发光二极管(LED)
    半导体的发展可划分为以下三个阶段:
    第一代半导体,1950年代:当时是以硅材料为主,其特征是频率低、非直接带隙,无发光器件;
    第二代半导体,1970年代:出现了GaAs基、InP基黄、红光发光管及激光器,促进了光电子及军用微电子(1-300GHz)的发展。在光纤通讯、无线通讯等领域获得了发展应用;
    第三代半导体,1990年代:GaN基半导体的诞生,其特征是 宽带隙3-6eV,发射紫外、蓝光。由于紫外、蓝光LED的出现,使LED白光照明成为可能,同时、在大容量存储方面也得到了发展应用。 
    1964年,世界上第一只红色Ⅲ-Ⅴ族GaAsP-LED诞生,这也就预示着固体发光时代的来临。不久,橙色、黄色和黄绿色LED也相继问世,实现了在波长940~540nm范围内发光的全固化。二十世纪七十年代,LED产业迎来了蓬勃发展的春天,在大屏幕显示、交通信号灯和仪器仪表指示等领域得到广泛应用,并随着家用电器产业的发展LED进入了人们的生活。但是实现全色显示尚缺发蓝光的LED,蓝光的空缺一直是个障碍。
    1994年,氮化镓基蓝、绿光AlGaInN-LED的出现了,这是LED发展史上的又一个里程碑,它使户外全色显示和半导体照明成为可能。
          蓝光发光二极管(LED)是以第三代半导体氮化镓(GaN)为代表的蓝色发光二极管。国内外都对该领域投入了大量的研究,美国和日本现已掌握生产纯蓝和纯绿光的氮化镓基(GaN)材料的生长工艺。我国已在实验室生产出氮化镓基(GaN)蓝色发光材料,目前正在进行产业化生产方面的研究。氮化镓基固态光源是一个GaN-白光LED发光器件,具有全固体、冷光源、寿命长、体积小、光效高、响应速度快、耐候性好等优点。在国民经济的众多领域具有广泛的应用前景,正已引起科技界和产业界的极大关注,成为半导体领域新崛起的研究热点和经济生长点。
          白光LED点燃了真正“绿色照明”的光辉,被认为是21世纪最有价值的新光源,将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导,使照明技术面临一场新的革命,从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。
          氮化镓基(GaN)材料特点以氮化镓(GaN)为代表的III-V族宽带隙化合物半导体材料,内、外量子效率高,具有高发光效率,高热导率,耐高温,抗辐射,耐酸碱,高强度和高硬度等特性,是世界目前最先进的半导体材料。 
          氮化镓基(GaN)材料可制成高效蓝、绿光发光二极管LED和激光二极管LD,并可延伸到白光LED,将替代人类沿用至今的照明系统。氮化镓基(GaN)蓝光二极管还将带来IT行业数字化存储技术的革命。 是室外高亮度、高清晰度大屏幕全色显示屏关键部件。华南师范大学以刘颂豪院士为首的研究开发队伍也正与企业合作开发第三代半导体氮化镓(GaN)为代表的蓝色发光二极管。
          第三代半导体GaN基LED是一种耐高温、高频、大功率、抗辐照及抗腐蚀的光电子器件;其发展与光电子、微电子技术同步发展;目前该技术发展十分迅速,日趋成熟,而市场需求驱动力又十分大,它具有巨大发展空间;产业化转化速度亦非常快;其从低端产品不断向高端产品发展;
    GaN基半导体发展史
    1969年:第一次外延GaN;
    1969年:开始用MOCVD技术生长GaN;
    1971年:第一只GaN LED;
    1986年:低本底浓度的GaN膜出现;
    1989年:解决P-GaN 生长;
    1992年:日亚化学 (Nichia) GaN LED历史性突破;
    1994年:GaN HEMT(High Electron Mobility Transistors)出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管。
          由于GaN在高温生长时氮的离解压很高,目前很难得到大尺寸的GaN体单晶材料,所以只能在其它衬底上进行异质外延生长。在各种生长技术中金属有机化学汽相沉积(MOCVD)和分子束外延技术(MBE)已经成为制备GaN及其相关三元、四元合金薄膜的主流生长技术。MOCVD方法的生长速率适中,可以比较精确地控制膜厚,特别适合于LEDs和LDs的大规模工业化生产。目前已经成为使用最多,生长材料和器件质量最高的方法。美国的EMCORE和AIXTRON公司以及英国的Thomas Swan公司都已经开发出用于工业化生产的Ⅲ族氮化物MOCVD(LP-MOCVD)设备。 分子束外延(MBE)是一种用于单晶半导体、金属和绝缘材料生长的薄膜工艺。用这种工艺制备的薄层具有原子尺寸的精度,这是它的独特特征。原子逐层沉积导致薄膜生长。这些薄层结构构成了许多高性能半导体器件的基础。MBE现在是一种可进行大批量生产的技术。多晶片、高产量的MBE系统, Semicon V150系统, 用计算机控制进行自动化生产一次可以生长四个6 英寸,九个4英寸或16个3英寸晶片。单机年产量可以超过一万片的6英寸晶片。
    氮化镓基蓝光LED的出现使全色显示成为可能。
    全色LED显示系统特点:
    1、RGB 三色均有16 bit灰度级
    2、支持标准的VGA、NTSC、PAL、SECAM 视频系统,类似CRT动态显示信号输入选择:(1)TV、VCR、LD、DVD;(2)视频相机、RS232、调制解调器;(3)MPEG系统;
    3、通过自敏感系统自动调节各种颜色亮度 1 ~ 100%;
    4、具实时自检系统;
    5、具柔性抗GAMMA修正;
    6、具光纤数据传输能力;
    7、具遥控通讯与定时软件
    8、水平广视角,无透镜可达170°;
    9、屏幕尺寸可灵活设计;
    10、实时60Hz图象无闪烁处理器;
    11、可在强阳光、高温环境下使用;
    12、模块化。易安装,耐恶劣环境,恒流电源驱动、低热,高功率效率,256级亮度调节,高精度CNC外罩设计。
          目前,LED产业竞争的焦点集中在白光LED、蓝、紫光LD以及大功率高亮度芯片。白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源,是世界各地光源和灯具研究机构竞相开发、努力获取的目标,是未来照明领域的明星行业。白光LED的能耗仅为白炽灯的1/8,荧光灯的1/2,节约能源,而其寿命可长达10万小时。白光LED的无汞化,易回收,益于环境保护。因此各国政府均大力扶持白光LED的发展。美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项,积极推行如:日本的“21世纪的光照明”计划,时间是从1998年~2002年,将耗费50亿日元推行半导体照明,目标是在2006年用白光LED替代50%的传统照明;美国的“国家半导体照明计划”,时间是从2000年~2010年,计划投资5亿美元;欧盟的“彩虹计划”,已在2000年7月启动,通过欧共体的资助,推广应用白光LED。目前,世界上掌握LED技术的新兴半导体企业纷纷和老牌照明灯制造商联手,抢占这个未来最大的照明市场。 
    2,数字微反射镜(DMD)与数字光处理器(DLP)投影显示系统
          数字光处理器(DLP)是近几年光电子显示技术中的一支突起的异军,是高技术创新领域里的一颗光彩夺目的新星。随着光电子技术和大规模集成电路制作术的发展,一种被称之为数字微反射镜器件(DMD)应运而生,数字光处理器(DLP)便在此基础之上使新一代的光电子显示投影产业迅速发展起来。
          光电子技术和产业已成为21世纪高科技竞争的焦点,随着全球信息化时代技术创新浪潮的日益高涨,我国的科技界和企业界以及政府部门对迅速发展的光电子技术和产业的深远意义和巨大潜力皆予以足够充分的重视。光电子显示则是光电子技术和产业的重要组成部分。多种光电子显示的技术和产业在市场的牵引下缤纷异彩地呈现于世并蓬勃地发展着。目前,光电子显示产品琳琅满目,其产业群的雏形也已星罗棋布地出现在新兴的高科技产业开发区,创新技术不断涌现。
    数字光处理器的发展
          光电子显示中的数字光处理技术(DLP)--Digital Light Processing,1993年美国德克萨斯仪器公司在Larry Hornbeck 1987 年发明的数字微反射器件DMD-Digital Micromirror Device的基础上通过不断地探索和试验而应用到商用投影显示中,准备推出的一种新一代的光电子显示产品。在1993年的一次国际信息显示学会(SID---Society for Information Display)研讨会上,Dr.Larry Hornbeck小范围内展示了一台基于他发明的DMD技术的投影仪。 
    最初的DMD
          当时是使用一块768×576像素的DMD器件,它只能显示PAL或NTSC的视频信号,而且其对比度也只有50:1。而后德克萨斯仪器公司对此又继续不断地投入发展研究经费,Dr.Larry Hornbeck和他的同事又继续深入地发展研究,使DMD的性能如:分辨率、亮度、可靠性等不断提高,其制造工艺亦日臻成熟,他们的研究成果很快就得到了诸多投影仪生产厂家的认可。 1994年用DMD装备的原型投影仪首次向世人展示了较为成熟的DLP技术应用成果;1995年德克萨斯仪器公司宣布该公司的DLP产品与它的第一个客户签署销售协议;1996年4月世界上第一台DLP投影仪系统正式发货给某公司。从1987年Larry Hornbeck 博士发明DMD经不断完善,直到形成DLP成熟的投影仪产品先后花了近十年的时间。 
          Dr.Larry Hornbeck在研究开发DMD和DLP的整个过程中先后取得29项专利;1997年DLP投影仪被美国艺术与科学动画学会首选为奥斯卡(Oscars)影片展示的放映设备,好莱坞(Hollywood community)亦采用DLP影院技术;
    从1996年至2001年底德克萨斯仪器公司已直接售出系统整机100多万部。
    由于Dr.Larry Hornbeck 在研究DMD和DLP学术上的贡献于2002年被国际光学工程学会(SPIE)选为特别荣誉会员。 
    3.数字微反射器件(DMD)的基本结构和工作原理
          DMD是在半导体硅的基底上用大规模集成电路的技术,通过半导体微细加工技术巧妙设计、精密制作,在硅衬底基片上制出一个微存储器 。DMD晶片包含成千上万的微反射镜,每个微反射镜代表一个像素,开或关的状态就可创建一幅图像。每一个微存储器上刻蚀出两个寻址电极和两个搭接电极;在紧靠基底电极的上方用涂覆、光刻、溅射、镀膜等大规模集成电路制作工艺制作一个正方形微形反射镜;通过扭臂樑铰链在正方形微形反射镜的对角线方向上把它固定在两个支柱上而形成一个“跷跷板”式的结构。由于在微反射镜和寻址电极之间存在差动电压,可以构成使微反射镜绕扭臂梁旋转的力矩,在旋转的力矩的作用下,微反射镜将一直被锁定在某一位置上,当复位信号出现时微反射镜便可回到正常位置;也可以把它们看成是一个由大约50万至130万(848×600)个正方形微反射镜一个挨一个排列成的“微反射镜阵列”。每一个微反射镜皆可以倾斜,于是照射在上面的光线也就会出现直射和“斜射”两种状态;若把一幅图像也分为848×600个像素,再根据其明暗转化为数字脉冲,于是控制那个“微反射镜阵列”中每个微反射镜的倾斜状态,就可以产生一幅再现出原图明暗状况的图像了。由成千上万个这样的微反射镜组成DMD器件芯片,每个微反射镜子代表一个像素,能被开或关来创建图像。DMD微反射镜阵列可由视频信号来驱动的。像素的灰阶数一般为 256种,它是由入射光的脉冲宽度调制而实现的。亦即由微反射镜构成的像素在视频信号每一帧的时间内处于“开”和“关”两种状态的占空比来决定该像素的灰阶。 DLP产生色彩是由于放在光源路径上的色轮(由红、绿、蓝组成)。由一个微型电机驱动的三原色滤光色轮与视频信号严格地同步以便在视频信号一帧的时间内合成所要求的颜色 。
          DLP投影机可分为:单片DMD机(主要应用在小型投影机产品);两片DMD机(应用于大型拼接显示墙);三片DMD机(应用于超高亮度投影机)。目前的DLP投影机最常见的是单片式DLP投影机。在单片式DLP投影机中,放在光源路径上的红、绿、蓝三原色滤色镜组成的色轮是一个关键的着色部件。
    单片式DLP投影机的基本原理是:
          由DMD产生的灰度信号,通过放在光源路径上的色轮交替地反射彩色光,这样一来,就会使各种色彩的图像以很高的速率呈现在屏幕上,并在观察者的眼睛中组合成为一幅完整的彩色画面。控制电路可根据当前的色轮旋转位置,把相应色彩的图像信号传递给DMD器件,交替显示在投影屏幕上,红、绿、蓝单色图像就组合成一幅色彩丰富的画面。由于每种颜色的灰阶都是8 bit,即256种,那么三原色总共便可产生256x256x256大约1600万种不同的颜色。单片式DLP投影机的体积非常小,重量轻,最适合于使用者便携使用。 
          三片式的DLP的投影机是由三片DMD器件组成;DLP投影机的三片DMD器件的空间位置经专门计算设计安排;来自照明光源的白光经特殊设计的分光棱镜系统后分成红、绿、蓝三色光;红、绿、蓝三色光分别以一定的角度照射到三个DMD器件上,在三个DMD器件上当处于“开”状态的微反射镜把该颜色的光反射后再次通过该棱镜系统重新合成,最后通过变焦物镜把彩色图像投影到屏幕上。
    DLP投影机具有以下的优点 :
    1,对比度高。DLP技术可以使图像随窗口的刷新而更加清晰,其黑白对比度高,目前DMD图像的对比度已超过100:1;
    2,高清晰度。DLP投影机投射的图像,无论远的或近的图像都是非常清晰的,并且能够全屏地填充屏幕;
    3,高亮度。在DMD器件中两个微反射镜,即两像素的间隔为一个微米,有效反射率在百分之六十以上,更多的光线投射在屏幕上使图像演示效果愈嘉,完全可以在白昼光亮中演示;
    4,色保真度高。由于DMD器件的灰阶和色保真度皆由微反射镜“开”状态的占空比所决定,而占空比又是脉冲调制来控制,最高可达10 bit即1024级,而三原色混合可产生10亿种不同的颜色。数字彩色的再现会保证投影图像更加逼真,不会出现发亮的斑点;
    5,可靠性高。DMD数字投影机经德克萨斯仪器公司的可靠性模拟试验,正常工作可达76000小时,和1万多次无故障稳定地运行;
    6,响应时间快。由于DMD器件中单个微反射镜重量轻,转动惯量极小,从“开”态到“关”态大约是10微秒,其响应时间非常短。
    7,高分辨率 。一般电脑、电视屏幕,投影机解析度的标准规格:
    ● VGA: 640 x 480像素数
    ● SVGA: 800 x 600像素数
    ● XGA: 1024 x 768像素数
    ● UXGA: 1600 x 1200像素数
    ● SXGA: 1280 x 1024像素数
    而DMD的像素数最高可达2048x1152。
          由于采用了数字技术的,使图像灰度等级可达1024级,色彩最高可达10亿种,无图像噪声,在大屏幕上投影成像的画面质量稳定,可无数次地再现精确的数字图像。上百万个微反射镜的集成使成像器件的总光效率达60%以上,而其对比度和亮度的均匀性都非常出色。因此,这种以数字微反射镜器件(DMD)为核心的数字光处理器(DLP)是近几年来一项十分引人注目的全新的投影显示技术,以其投影单元亮度高、均匀性好、图像高度清晰、色彩鲜艳、工作稳定、寿命长、易于维护等优势在数字投影显示(DPD)和高清晰度电视(HDTV)会得到更广泛的应用。
          DLP技术今后的发展方向是以低成本、高画质的技术为目标;DMD芯片尺寸在进一步缩小,微反射镜面积从1996年边长16微米,间距1微米,到2001年,减小至为边长13.7微米,间距0.8微米;另一方面还在加大DMD芯片底板的硅晶圆口径和改善新型封装技术。 
          在提高DLP投影机画面质量的技术实现上,TI 发布 SCR (sequential Color Recapture)即相续彩色扑捉技术用于提升投影机的亮度和色彩表现;从DMD控制器LSI到DMD元件的数据传送方面采用DDR(Double data rate)模式;2002年下半年,DLP投影机光路上采用六段式色轮,进一步提高色彩和亮度。微反射镜的镜面倾斜角度由现在正负10度加大至12度、14度以求进一步的亮度提升。以数字微反射镜器件(DMD)为核心的数字光处理器(DLP)是一项全新的投影显示技术,他的诞生使我们在拥有捕捉、接收、存储数字信息的能力后,又实现了数字信息显示。DMD与DLP技术的成功是光电子显示领域里的一个划时代的成果,它正如CD在音频领域产生的巨大影响一样,DLP将为视频投影显示领域带来一场有深远历史意义的革命。 (下转P107页)
    (上接101页)
    参考文献
    1,Shuji Nakamura and G。Fasol, 《The Blue Laser Diode》, Springer-Verlag, Heidelberg, Germany,1997, 1st ed
    2,王天及, “氮化鎵基LED与21世纪照明光源的革命”, 《激光产品世界》,10/11,2002
    3, J.M.Florence and L.A.Yoder, Display system architectures for digital micromiror divice(DMD) based projectors,Proc.,SPIE 2650,(1996)193-208.
    4, L.J.Hornberck, Digital light processing for high-brightness, high-resolution applications,Proc.,SPIE 3013,(1997),27-41.
    5, 宋菲君,S.Jutamulia,<近代光学信息处理>,北京大学出版社,1998
    6, 杨世宁,李耀棠,王天及等,“用数字微反射镜器件合成体视全息图拍摄系统”《光电子*激光》,(Journal of Optolectronics*Laser),Vol.12,No.7 Jun.(2001)p.719-721

    作者简介:
          王天及教授是中国科学院广州电子技术研究所研究员,中国光学会理事,中国光学光电子行业协会激光全息分会副理事长,国家自然科学基金委信息科学部评审专家。1981-1983公派赴德国斯图加特大学技术光学研究所作访问学者,回国后长期从事激光与信息光电子技术研究与开发工作。1994年任香港城市大学电子工程系客座教授,现兼职暨南大学博士生图像分析课程讲座教授,深圳大学工程技术学院客座教授。王天及教授多次被邀请出席国际学术会议宣读论文,不久前在美国硅谷某光电子技术公司短期客座访问研究,2002年6月主持了第一届国际高功率光纤激光器研讨会。王天及教授是广东省劳动模范,享受国务院政府津贴。


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