Ángel Dieguez – Departamento de Ingeniería Electrónica y Biomédica, Universitat de Barcelona, Barcelona, España
Más allá de las micropantallas LED, se espera que las matrices de microLED de InGaN/GaN amplíen en gran medida las aplicaciones potenciales de los semiconductores de nitruro al ofrecer luz estructurada a escala micro o nanométrica. Entre las aplicaciones potenciales están microscopía basada en chips [1], computación neuromórfica óptica, comunicaciones LiFi o incluso optogenética [2]. Para todas estas aplicaciones son imprescindibles un gran número de píxeles y una modulación de alta frecuencia en combinación con una alta eficiencia de iluminación. Esta combinación solo se puede lograr cuando los chips de nitruro se unen directamente chips controladores CMOS de silicio.
En este trabajo, se presenta el diseño de un panel CMOS en tecnología de 180nm desarrollado por la Universidad de Barcelona [3] en el marco del proyecto europeo SMILE [4] para ser parte de una micropantalla LED. El panel CMOS es capaz de explotar las capacidades de las matrices de GaN, produciendo patrones de alta velocidad (hasta 9,15 kfps) a altas intensidades ópticas (hasta 120 uA por píxel y 16 niveles de gris) con una resolución muy elevada de 1411 PPI (512×512 píxeles con un paso de 18um). Además, el panel puede operar en modo pulsado, lo que permite alternar toda la matriz entre la imagen almacenada y el estado apagado a 1 MHz. Dicho panel, se ha combinado híbridamente con la correspondiente matriz de GaN mediante microbolas de Indio a relativamente baja temperatura, para conseguir un motor de luz de microiluminación estructurada totalmente integrado con las características mencionadas. La producción de la matriz de GaN y la interconexion hibrida se ha realizado en la Universidad Técnica de Braunschweig (Alemania) [5].
La Figura 1 muestra el esquema del circuito integrado en cada píxel del controlador. Se almacenan 4 bits para cada píxel en celdas SRAM 6T. Esta información se convierte en corriente aplicada a cada LED mediante cuatro transistores de anchura ponderada (M1-M4). Los cuatro transistores, junto con las celdas SRAM, forman un DAC de corriente de 16 niveles que establece una corriente estable a través del LED. Con este circuito, se evita la degradación de la corriente de polarización que ocurre con los circuitos típicos que se usan para controlar este tipo de LEDs. La rama de accionamiento también incluye un transistor de óxido grueso (M5) para fines de habilitación global, que corta la corriente de salida y permite usar PWM. Además, el transistor M5 permite voltajes de cátodo (nVLED) de hasta 3,2 V. Esto aumenta el rango de voltaje de polarización del LED de 1,8 V a 5 V, extendiendo así el rango de corriente de 20 nA a 120 μA para los LED típicos de la tecnología GaN. Por último, para calibrar la corriente, se añaden dos transistores más (M6 y M7). Todos los elementos del circuito de accionamiento están incrustados en 18×18 μm2, incluido el contacto de 8×8 μm2 para el ánodo LED (Figura 2).
Figura 2: Layout del controlador de 18×18 μm2 integrado en cada píxel, con la apertura de 8×8 μm2 para la unión híbrida en naranja.
La Figura 3 muestra el diagrama de bloques del panel. Esta estructura se repite cuatro veces, controlando hasta una matriz de 512×512 píxeles. Para reducir el número de pads E/S, el panel implementa una estructura secuencial que maneja 256 × 256 píxeles. La figura muestra que los datos entran al chip mediante 4 canales de datos (SerCh0 a SerCh3) y un reloj (SerClk) a través de una interfaz DDR SLVS de 600 Mbps. Además, el chip dispone de un controlador de escaneo de filas que selecciona el grupo de columnas que se actualizarán (32 píxeles) y otra interfaz serie que se encarga de deserializar el flujo de datos, entrelazarlo y controlar el procedimiento de escritura. Se incluye además una señal de habilitación de para el control global de la matriz. Cada conjunto se organiza en 2×8 subconjuntos de 128×32 píxeles, siendo la unidad de escritura mínima una fila de estos subconjuntos (es decir, 32 píxeles). Cada subconjunto de píxeles tiene su ruta de datos de columna y señales de selección de fila.
La planificación de la alimentación incluye dominios de potencia independientes, separando los voltajes de polarización de la matriz de LED (VLED, nVLED) de la electrónica digital (VDD, GND) y el anillo de E/S. Además, las alimentaciones se distribuyen a lo largo del chip en una estructura de malla incluso dentro de la matriz de píxeles, minimizando así los efectos de caída de IR y homogeneizando el voltaje en toda la matriz.
Para conseguir la micropantalla, las obleas CMOS fueron procesadas para tener una terminación adecuada para el proceso de interconexión con el chip de GaN. La Figura 4 muestra el resultado tras colocar bolas de Indio en cada abertura de la matríz (detalle en el layout de la Figura 2, y en el recuadro de la Figura 4). El conjunto híbrido fue empaquetado a medida y montado en un zócalo y en una PCB para su caracterización. Finalmente, en la Figura 5 se muestra una imagen proyectada en un cuarto de la micropantalla funcional.
Figura 4: Oblea de 200 mm recibida de la foundry y procesada para disponer las bolas para la interconexión hibrida. A la derecha se muestra un detalle de las bolas dispuestas sobre la matriz. El chip CMOS mide aproximadamente1.2 x 1.3 cm2.
La actividad descrita, como se ha comentado, fue resultado de un proyecto de la Union Europea EIC Transition (SMILE – Scalable Structured Micro Illumination Light Engines). Este proyecto fue continuación de un proyecto EIC Pathfinder (ChipScope) y ha continuado con un proyecto EIC Accelerator (iSMILE, de la empresa Qubedot) en un proceso altamente competitivo. Se trata del primer caso en el que se recibe toda la rama de financiación del EIC, reconociendo así el potencial de mercado de los microLED y pantallas microLED basadosen nitruro de galio como fuentes de luz estructuradas.
[1] Vilà, A., Moreno, S. and Diéguez, A. (2022), 24-1: Can Light Microscopes Really Be Chip-Sized?. SID Symposium Digest of Technical Papers, 53: 271-274. https://doi.org/10.1002/sdtp.15471
[2] Junge, S., Ricci Signorini, M.E., Al Masri, M. et al. A micro-LED array based platform for spatio-temporal optogenetic control of various cardiac models. Sci Rep 13, 19490 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-46149-1
[3] Departamento de Ingeniería Electrónica y Biomédica, Universitat de Barcelona, Barcelona, España. Contacto: Prof. Angel Dieguez, angel.dieguez@ub.edu.
[4] Proyecto SMILE, cordis.europa.eu/project/id/952135
[5] Institute of Semiconductor Technology, TU Braunschweig, Germany. Contacto: Prof. Andreas Waag.
