Micro-LED简介及产业现状全梳理

Micro-LED简介及产业现状全梳理自从iPhone 7发布后，iPhone 8的各种消息蜂拥而来，而关于屏幕方面大多数新闻都报道新一代iPhone将使用OLED屏，而被认为OLED显示的下一代Micro-LED似乎也不再低调，相比OLED，Micro-LED技术对很多人来说还是比较陌生的，但是关注却越来越高。Micro LED这个词出现的很早，早在2000年Cree就申请了名为Micro-ledarrays withenhanced light extracTIon的专利，随后相关论文发表也很多，但Micro LED还只是纯粹的学术研究。LED厂、面板厂也秘密研发多年，但仍未真正地走向商业化。Micro-LED是什么?MicroLED技术，即LED微缩化和矩阵化技术。指的是在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列，如LED显示屏每一个像素可定址、单独驱动点亮，可看成是户外LED显示屏的微缩版，将像素点距离从毫米级降低至微米级。而Micro LED display，则是底层用正常的CMOS集成电路制造工艺制成LED显示驱动电路，然后再用MOCVD机在集成电路上制作LED阵列，从而实现了微型显示屏，也就是所说的LED显示屏的缩小版。历史说起Micro LED，先得从显示TFT-LCD背光模组应用说起。在1990年代TFT-LCD开始蓬勃发展时，因LED具有高色彩饱和度、省电、轻薄等特点，部分厂商就利用LED做背光源。然而因成本过高、散热不佳、光电效率低等因素，并未大量应用于TFT-LCD产品中。直到2000年，蓝光LED芯片刺激荧光粉制成白光LED技术的制程、效能、成本开始逐渐成熟；当进入2008年，白光LED背光模组呈现爆发性的成长，几年间几乎全面取代了CCFL，其应用领域由手机、平板电脑、笔电、台式显示器乃至电视等等。然而，因TFT-LCD非自发光的显示原理所致，其open cell穿透率约在7%以下，造成TFT-LCD的光电效率低落；且白光LED所能提供的色饱和度仍不如三原色LED，大部分TFT-LCD产品约仅72%NTSC；再则，于室外环境下，TFT-LCD亮度无法提升至1000nits以上，致使影像和色彩辨识度低，为其一大应用缺陷。故另一种直接利用三原色LED做为自发光显示点画素的LED Display或Micro LED Display的技术也正在发展中。现况随着LED的成熟与演进， Micro LED Display自2010年起开始有着不一样的面貌呈现。从其发展历程来看， 2012年Sony发表的55寸“Crystal LED Display”就是Micro LED Display技术类型，其Full HD解析度共使用约622万(1920x1080x3)颗micro LED做为高解析的显示画素，对比度可达百万比一，色饱和度可达140% NTSC，无反应时间和使用寿命问题。但是因采单颗Micro LED嵌入方式，在商业化上，仍有不少的成本与技术瓶颈存在，以致于迄今未能量产。虽然Micro LED理论上是皆可应用各类尺寸产品，但从自身良率及制程来看，目前对解析度高低的需求与良率成反比，所以对解析度要求不高的穿戴式产品的显示器因尺寸面积小、制作良率较高、符合节电需求，而被优先导入micro LED。一般LED芯片包含基板和磊晶层其厚度约在100500m，且尺寸介于1001000m。而更进一步正在进行的Micro LED Display研究在于将LED表面厚约45m磊晶层用物理或化学机制剥离，再移植至电路基板上。其Micro LED Display综合TFT-LCD和LED两大技术特点，在材料、制程、设备的发展较为成熟，产品规格远高于目前的TFT-LCD或OLED，应用领域更为广泛包含软性、透明显示器，为一可行性高的次世代平面显示器技术。自2010年后各厂商积极于Micro LED Display的技术整合与开发，然因Micro LED Display尚未有标准的LED结构、量产制程与驱动电路设计，各厂商其专利布局更是兵家必争之地。迄2016年止，已被Apple并购的Luxvue、Mikro Mesa、SONY、leti等公司皆已具数量规模的专利申请案，更有为数众多的公司与研究机构投入相关的技术开发。主要参与开发的企业原理Micro LED Display的显示原理，是将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化，其尺寸仅在110m等级左右；后将MicroLED批量式转移至电路基板上，其基板可为硬性、软性之透明、不透明基板上；再利用物理沉积制程完成保护层与上电极，即可进行上基板的封装，完成一结构简单的Micro LED显示。而要制成显示器，其晶片表面必须制作成如同LED显示器般之阵列结构，且每一个点画素必须可定址控制、单独驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体电路驱动则为主动定址驱动架构，Micro LED阵列晶片与CMOS间可透过封装技术。黏贴完成后Micro LED能藉由整合微透镜阵列，提高亮度及对比度。 Micro LED阵列经由垂直交错的正、负栅状电极连结每一颗Micro LED的正、负极，透过电极线的依序通电，透过扫描方式点亮Micro LED以显示影像。Micro LED结构图Micro LED典型结构是一PN接面二极管，由直接能隙半导体材料构成。当对MicroLED上下电极施加一正向偏压，致使电流通过时，电子、空穴对于主动区复合，发射出单一色光。Micro LED光谱主波长的FWHM约20nm，可提供极高的色饱和度，通常可120% NTSC。而且自2008年以后，LED光电转换效率得到了大幅提高，100 lm/W以上已成量产标准。因此对于Micro LED显示的应用，因其自发光的显示特性，搭配几乎无光耗元件的简易结构，就可轻易实现低能耗或高亮度的显示器设计。这样可解决目前显示器应用的两大问题，一是穿戴型装置、手机、平板等设备的80%以上的能耗在于显示器上，低能耗的显示器技术可提供更长的电池续航力；二是环境光较强致使显示器上的影像泛白、辨识度变差的问题，高亮度的显示技术可使其应用的范畴更加宽广。制程种类及技术发展对于半导体与芯片的制程微缩目前已到极限，而在制造上的微缩却还存在相当大的成长空间，对于Micro LED制程上，目前主要呈现分为三大种类：Chip bonding、Wafer bonding和Thin film transfer。三大制程的各自优劣势及厂商Chip bonding（芯片级焊接）将LED直接进行切割成微米等级的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板)，利用SMT技术或COB技术，将微米等级的Micro LED chip一颗一颗键接于显示基板上。Wafer bonding（外延级焊接）在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP)，直接形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构，此结构之固定间距即为显示画素所需的间距，再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱动电路基板上，最后使用物理或化学机制剥离基板，仅剩45m的Micro LED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上形成显示画素。Thin film transfer（薄膜转移）使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED磊晶薄膜层，再利用感应耦合等离子离子蚀刻，形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构；或者，先利用感应耦合等离子离子蚀刻，形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构，再使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED磊晶薄膜结构。最后，根据驱动电路基板上所需的显示画素点间距，利用具有选择性的转移治具，将Micro LED磊晶薄膜结构进行批量转移，键接于驱动电路基板上形成显示画素。总结尽管Micro LED显示已经备受企业关注和加大研发，在规格上也较LCD具有多重好处，甚至画质上可与OLED相媲美，但是现阶段该显示器发展并未普及，主要困难点有三大方面。第一，在于LED固晶上。以目前已成熟的LED灯条制程为例，在制作一LED灯条尚有坏点等失败问题发生，何况是一片显示器上要嵌入数百万颗微型LED。而LCD与OLED已采批次作业，良率表现相对较佳。第二，在LED组件上。覆晶LED适合于Micro LED显示，因其体积小、易制作成微型化，不需金属导线、可缩减L