韩国研究团队成功开发出无电容Micro LED显示架构

CINNO Research产业资讯，在显示技术向 “超高清、低功耗、微型化” 迈进的关键阶段，一项来自韩国科研团队的突破性成果引发行业高度关注。近日，高丽大学、三星显示与印度希瓦吉大学等机构联合在《极端制造》期刊上发表研究论文，提出一种基于碲化锗（GeTe）忆阻器的无电容AM Micro-LED显示架构。该技术通过单片集成亚伏级忆阻器驱动像素，不仅成功替代传统晶体管 - 电容组合，更实现了48.1%的功耗降低、93.1%的超高开口率，以及6000PPI以上的像素密度潜力，为AR/VR、智能穿戴、医疗影像等高端显示场景提供了全新解决方案。

Micro-LED显示困局：传统架构难破 “三难” 瓶颈

作为被业界公认的 “下一代显示技术标杆”，Micro-LED凭借其优异的光电性能 —— 包括 1000nits 以上的峰值亮度、纳秒级响应速度、百万级对比度及超过10万小时的使用寿命 —— 自诞生以来便承载着突破现有显示技术局限的期待。目前，Micro-LED已在超大尺寸电视、拼接屏等领域实现初步应用，但在AR/VR头显、智能手表、医疗微创手术显示器等对 “分辨率、功耗、体积” 要求严苛的场景中，却长期受限于三大核心瓶颈，商业化进程缓慢。

瓶颈一：像素密度受限于 “晶体管 + 电容” 架构，传统AM Micro-LED显示采用 “2T-1C”（2个晶体管 + 1个电容）的单元像素设计，其中电容负责存储电荷以维持像素亮度，晶体管则负责信号开关与电流调控。然而，随着像素尺寸缩小至10μm以下，电容的存储容量与晶体管的短沟道效应问题愈发突出 —— 电容面积若按比例缩小，会导致电荷泄漏加剧，需频繁刷新；晶体管尺寸减小则会引发电流波动，影响显示稳定性。这种 “元件尺寸与性能” 的矛盾，使得传统架构下Micro-LED像素密度难以突破3000PPI，远不能满足AR/VR设备对 5000PPI以上分辨率的需求。

瓶颈二：高功耗源于电容的固有缺陷，电容的电荷泄漏特性是传统Micro-LED显示功耗居高不下的核心原因。为维持像素亮度稳定，驱动电路需每帧（约16.7ms）对电容进行一次电荷补充，即 “刷新操作”。数据显示，一台采用传统架构的5.5英寸2K分辨率Micro-LED显示屏，仅刷新操作消耗的功耗就占总功耗的35%以上。在AR/VR头显等依赖电池供电的设备中，高功耗直接导致续航时间缩短至2-3小时，成为用户体验的关键短板。

瓶颈三：制造复杂度推高成本与良品率风险，传统Micro-LED 显示的制造流程涉及两大关键难题：一是 “芯片转移”，需将数百万颗微米级LED芯片从蓝宝石衬底转移至驱动背板，现有 “拾取 - 放置” 技术存在效率低、机械对准误差大的问题，转移良率难以突破99.99%；二是 “多层集成”，晶体管与电容需通过多次光刻、退火、薄膜沉积等工艺制备，仅2T-1C架构就需 13 道掩膜工序，不仅增加制造成本，还易因工艺步骤过多导致缺陷率上升。据行业测算，传统Micro-LED显示屏的制造成本是同尺寸OLED的3-5倍，严重制约其大规模普及。

尽管行业曾尝试通过 “单片集成晶体管”、“CMOS 驱动背板” 等方案突破瓶颈，但前者面临晶体管与LED芯片的热匹配问题（LED工作时局部温度升高会导致晶体管性能漂移），后者则因硅衬底与GaN外延层的热膨胀系数差异，导致芯片剥离与封装难度陡增，均未能实现根本性突破。

技术突破1：GeTe忆阻器实现 “单元件双功能替代”

面对传统架构的固有缺陷，上述韩国联合研究团队创新性地提出 “以忆阻器替代晶体管 + 电容” 的核心思路，选择GeTe（碲化锗）作为忆阻器核心材料，凭借其独特的 “电阻态可控性” 与 “电荷保持能力”，成功实现了单元件对传统架构中两个核心元件的功能替代，从根本上重构了Micro LED的驱动逻辑。

核心突破1：亚伏级运行，功耗降低48.1%

GeTe忆阻器最显著的优势在于其极低的工作电压与优异的电流调控能力。测试数据显示，该忆阻器的SET电压（从高阻态切换至低阻态的电压）仅为0.17V，RESET电压（从低阻态切换至高阻态的电压）为- 0.15V，远低于传统IGZO TFT晶体管1.5-3V的阈值电压。在驱动10μA Micro-LED工作电流时，GeTe忆阻器的功耗仅为10nJ，而传统IGZO TFT的功耗则高达60-120000nJ，差距最高可达1.2万倍。

更关键的是，GeTe忆阻器无需依赖电容存储电荷 —— 其内部形成的 “导电细丝” 在SET操作后可半永久稳定存在，直至施加RESET电压才会湮灭。这意味着像素亮度可在无任何刷新操作的情况下维持，彻底消除了传统架构中因刷新产生的额外功耗。测试数据显示，在 12×12 Micro-LED阵列测试中，GeTe忆阻器驱动方案的每帧功耗为21.9mW，较传统IGZO TFT方案的42.1mW降低48.1%；在 “常亮显示”（如智能手表的时间界面）场景中，功耗优势更可扩大至408%，续航时间有望延长3-4倍。

核心突破2：多电阻态特性，实现亮度精准调控

为满足显示场景对 “灰度级” 的需求，研究团队通过调控GeTe忆阻器的限流电流，成功实现了 “1个高阻态 + 3个低阻态” 的四档电阻调节，对应Micro-LED的 “熄灭” 与 “低、中、高” 三档亮度。测试结果显示，在2.7V的工作电压下，忆阻器处于高阻态（HRS）时，Micro-LED的驱动电流仅为21nA，几乎无发光；处于低阻态 LRS_1（176.3Ω）时，电流可达26.6μA，发光强度达到380nits；LRS_2（717.2Ω）与LRS_3（2.7kΩ）则分别对应15.3μA、3.93μA的电流与270nits、160nits的亮度，亮度分级清晰且稳定。

这种多电阻态特性不仅简化了灰度调节电路，还具备进一步扩展的潜力。研究团队指出，通过优化限流电流的调节精度（如采用增量步长脉冲编程技术），GeTe忆阻器可实现256级以上的电阻态控制，完全满足全彩色显示对灰度级的需求。

核心突破3：高稳定性与工艺兼容性，扫清量产障碍

商业化显示器件对 “长期稳定性” 的要求极为严苛，而 GeTe 忆阻器在这一维度的表现同样突出。论文数据显示，该器件在 25℃环境下，各电阻态的电流稳定性可维持105秒（约27.8小时），通过阿伦尼乌斯热稳定性模型推算，在Micro-LED典型工作温度（50℃）下，数据保持时间可超过10年；同时，其开关循环耐力达到104次，虽暂未达到商用显示10⁹次的要求，但研究团队表示，通过优化GeTe薄膜的结晶度与电极界面设计，耐力有望提升至10¹² 次，满足50000小时以上的使用需求。

在制造工艺兼容性上，GeTe忆阻器更是展现出显著优势。与传统TFT需要300℃以上高温退火不同，GeTe忆阻器的制备可在室温下完成，且无需复杂的离子注入或掺杂工艺。研究团队采用 “台面刻蚀 - 钝化层沉积 - 忆阻器集成” 的单片工艺，仅需9道掩膜工序即可完成12×12 Micro-LED阵列的制备，较传统2T-1C架构减少4道关键工序，不仅降低了工艺复杂度，还避免了芯片转移过程中的机械损伤风险，良率提升至95%以上。

12×12阵列实现清晰字符显示，6000PPI潜力可期

为验证无电容驱动架构的可行性，研究团队设计并制备了基于GeTe 忆阻器的12×12有源矩阵Micro-LED阵列，通过FPGA驱动板实现了像素的独立寻址与亮度调控，并成功完成了字母“A”、“S”、“L”的显示验证，为技术的实际应用奠定了基础。

阵列设计：交叉结构实现精准寻址

该12×12阵列采用 “横向电源线 + 纵向数据线” 的交叉设计，其中电源线（VDD）贯穿每行像素，提供工作电压；数据线（Vdata）则连接每个单元像素中GeTe忆阻器的底部电极，负责施加SET/RESET电压以调控忆阻器的电阻态。这种设计的核心优势在于 “无串扰”—— 通过控制特定行的电源线与特定列的数据线电压差，可精准选中单个像素，避免相邻像素的误触发。例如，当需要点亮某一像素时，仅需对对应数据线施加2.4V电压，电源线施加2.7V 电压，形成0.3V的SET电压差，即可使忆阻器从高阻态切换至低阻态，驱动Micro-LED发光。

显示效果：亮度均匀，字符清晰可辨

实验测试中，研究团队通过调节忆阻器的电阻态，实现了字符亮度的分级显示 —— 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），三种亮度的对比度达到2.4:1，肉眼可清晰区分。同时，通过脉冲宽度调制（PWM）技术，团队进一步验证了灰度调节能力：在2.7V固定电压下，将脉冲占空比从20%提升至80%，Micro-LED的发光强度从54nits线性增加至216nits，线性度误差小于5%，满足显示场景对灰度均匀性的要求。

更值得关注的是该架构的 “像素密度潜力”。 研究人员 指出，当前实验中 Micro -LED与忆阻器的尺寸分别为30μm与10μm，对应像素密度约651PPI；若通过高精度光刻技术将 Micro -LED尺寸缩小至3μm，忆阻器尺寸同步缩小至1μm，像素密度可突破6000PPI，远超当前 AR/VR设备对5000PPI的需求，甚至可满足未来 “视网膜级” 微显示的技术标准。

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