一文解析microLED的主要技術挑戰(zhàn)

前不久，我們談到了miniLED，提過miniLED至少現(xiàn)階段都還是一種LCD液晶顯示技術的組成部分。雖然不少LED供應商會將miniLED/microLED一起談，但這兩者本質(zhì)上還是存在相當大的差異的。

從大方向來看，最為傳統(tǒng)的LCD液晶顯示屏的層級結構中，有個背光層——有了這層背光層，LCD屏才會亮起各種色彩。如果背光層的LED芯片做得很小，比如像今年的12.9寸iPad Pro那樣，背光層由超過10000枚LED構成，那么我們就說這種屏幕應用了miniLED技術。如果LED做得更小，小于50μm，做到像素級別的尺寸，那么這種LED就叫microLED了。

不過當背光層的每顆LED芯片都對應一個像素時，那么傳統(tǒng)的液晶結構也就可以被推翻了。在發(fā)光原理上，一般定義中的microLED屏幕會更靠近OLED屏幕，每個像素也可以算是“自發(fā)光”了，但背光并不是有機材料。而且在面板結構上，microLED也做得更簡化了。所以microLED屏既不是LCD（因為不再包含液晶層），也不是OLED（因為不采用有機發(fā)光材料），這是它有別于miniLED的重要原因（雖然單就LED的角度來看，也只是LED做得更?。?。

圖1

由于更簡單的結構，非有機發(fā)光材料，以及每個像素都能控制發(fā)光與否，microLED幾乎集合了LCD與OLED的各種優(yōu)點，并規(guī)避了兩者的各種缺點，比如屏幕亮度可以做到很亮，但對比度又可以很高，壽命還可以很長。聽起來是相當美好的解決方案。但由于LED芯片本身尺寸的縮減，帶來顯示屏幕結構上的顯著變化，隨之而來的是難度更高的制造工藝和顯示相關的價值鏈變化。

去年我們在采訪默克中國總裁兼默克中國高性能材料事業(yè)部執(zhí)行副總裁安高博的時候，他曾提到過，“半導體、顯示兩者在加速出現(xiàn)融合?！薄拔覀兛吹斤@示企業(yè)，他們需要去懂半導體，了解半導體；半導體企業(yè)也更多依賴于顯示技術的進步?！薄癿icroLED的生產(chǎn)工藝就和傳統(tǒng)不大一樣，它更靠近半導體技術。”

默克是作為顯示材料供應商談到的這一點，事實上除了LED芯片本身的尺寸縮減，業(yè)界的小型microLED屏幕在背板（backplane）部分也更傾向于采用CMOS技術，而不再是傳統(tǒng)意義上我們對顯示面板所知的TFT（如非晶硅、LTPS-低溫多晶硅等）。這應該是安高博提到的半導體與顯示兩者加速融合的重要表現(xiàn)。這一點實際上也可能造成顯示行業(yè)價值鏈的劇烈變動——只不過當前microLED要實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，仍有比較遙遠的路要走。

本文就嘗試從大方向的角度來談談，這種未來向的顯示技術究竟為什么神秘，有哪些挑戰(zhàn)，以及相比LCD和OLED又有哪些優(yōu)勢。

上百萬美元的電視，你能承受嗎？

談屏幕顯示的優(yōu)勢，無非也就是考察亮度、對比度、色域、壽命、響應時間、功耗等維度。此前京東方在公開演講中曾總結過一張表格（如圖2所示）。雖然我們認為其中的部分參數(shù)可能是有待商榷的，但理論上microLED在各方面都能表現(xiàn)出碾壓當代顯示技術的優(yōu)勢，其中的很多都是人們對顯示技術夢寐以求的，包括高出幾個數(shù)量級的亮度。這里還有一些未總結的來自microLED技術的優(yōu)勢，包括可視角、ppi（像素密度）等。

圖2

不過其中的有些參數(shù)停留在理論階段，比如說EQE（external quantum efficiency，外量子效率）和功耗。從理論上來說，microLED在這兩個參數(shù)上也有顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)藍色LED的EQE可以達到80%；在實際操作中，如果這種藍色LED的尺寸縮減到5-10μm，則EQE將≤20%；而且因為側(cè)壁缺陷效應（sidewall defects effect）的存在，現(xiàn)階段microLED實際的功耗表現(xiàn)也差于OLED/LCD。但這些都可以理解為技術在新生階段遭遇工程層面的問題。

在談microLED的結構和原理之前，我們先來談談這項技術現(xiàn)階段的市場發(fā)展情況，對于microLED離大規(guī)模量產(chǎn)可能還有多遠的路這個問題至少有個大致的概念。

microLED發(fā)展道路上比較具有代表性的事件是2014年蘋果收購LuxVue——這就直接刺激了行業(yè)對于microLED技術的熱情，雖然microLED在科研領域的出現(xiàn)甚至可以追溯到2000年前后；2016年，Oculus收購InfiniLED，并且與Plessey達成協(xié)議準備開發(fā)microLED AR顯示技術；2017年，夏普與富士康投資eLux。不久后谷歌對microLED公司Glo AB做出投資，Intel則開始對Alidia做出投資；三星與晶元光電、錼創(chuàng)科技合作預備生產(chǎn)miroLED電視。

在上篇介紹miniLED的文章中，我們也談到了顯示行業(yè)上下游，尤其中國面板、LED芯片制造商等對于microLED技術的大量投入——microLED對于顯示行業(yè)的革新，甚至被視為中國企業(yè)在這一領域成為業(yè)界老大的機會。

在具體的產(chǎn)品上，有企業(yè)在一些展會上將自家的microLED產(chǎn)品或技術做展示。只不過這些基本屬于亮肌肉的常規(guī)操作。比如說2018年三星曾演示過一款宣稱應用了microLED技術的146寸/219寸電視，名為The Wall，不過其LED芯片尺寸嚴格意義上已經(jīng)大到不能算做microLED了，且報道中146寸版的價格高于10萬美元。

索尼更早的應用了microLED技術的CLEDIS面板電視則在當時報道的售價超過了100萬美元（2016年索尼宣布的220寸4K CLEDIS電視報價1.2億日元）。這兩年SID之類的展會上，一些主要的面板制造商普遍都會展出自家的microLED產(chǎn)品，且都有某種microLED技術“首發(fā)”的名號，包括中國大陸的天馬、京東方、維信諾、臺灣的友達光電等企業(yè)都有這方面的動作，作為搶占展會C位的組成部分。

但microLED的應用，可能遠超預期

有關microLED成本為何這么高的問題，下文將會花篇幅探討。在理解microLED高成本和難以量產(chǎn)的問題之前，還是先來看看這項技術的實際吸引力在哪兒，將前文提到的這些顯示參數(shù)轉(zhuǎn)為應用后，microLED具體能干什么。microLED的應用前景，是值得花大篇幅探討的，這里我們只能簡單地談一談。

就大方向來看，microLED可替代LCD、OLED，占據(jù)所有的顯示應用如AR/VR、可穿戴、手機、汽車、筆記本電腦、電視。不過microLED的技術特性，又決定了它有著更大的應用外延。這里我們不著重探討microLED在普通照明（如健康醫(yī)療領域微型化的光電鑷子、光學耳蝸植入）、VLC（可見光通訊）等方面的應用，而關注它在顯示方面的應用。

首先在高ppi（每英寸的像素數(shù)量）方面，雖然如今高端手機的像素密度早就來到了500ppi左右，但AR/VR對于像素密度仍然有著不小的追求，尤其在高于1000ppi的需求方面，microLED有著得天獨厚的優(yōu)勢，畢竟它可以很小。加上AR/VR在顯示亮度、對比度、響應時間方面的要求，microLED能夠讓AR/VR的體驗上升一個臺階。

在AR/VR應用上，LCD的光學層級結構顯得太過復雜，因此存在著較大程度的光和系統(tǒng)層面的損失與缺陷；而OLED則受限于有機材料發(fā)光特性，亮度本身就比較低。microLED則如前文所述，克服了兩位前輩的缺陷，在結構和材料層面碾壓LCD和OLED；雖然其EQE數(shù)值現(xiàn)階段仍然不是很好看。

另外由于客觀制造條件和成本的限制（主要是在mass transfer制造階段，以及高電流密度更少受到側(cè)壁缺陷的影響），AR/VR、可穿戴設備、投影機等會成為microLED率先登場的應用——它們對于高ppi有著更天然的需求，microLED因此成為這些應用的絕對優(yōu)選。

此外，microLED在制造柔性屏、折疊屏、透明屏方面有著更天然的優(yōu)勢。從直覺來看就不難理解，更微小的microLED稀疏地排布于透明基板上，在大屏更低ppi的情況下，對于透明屏、柔性屏的制造自然更有價值。不僅是透明電視，汽車前擋風玻璃HUD透明顯示之類的應用也是有價值的。這些應用實際上都有對應的廠商做過宣傳，比如錼創(chuàng)科技就展示過microLED制造的透明+柔性顯示屏。

除了傳統(tǒng)顯示上的應用，microLED還能應用于裸眼3D顯示——更小的像素間隔、自發(fā)光特性、高亮度，讓光場顯示系統(tǒng)的緊湊方案成為可能。此外，如前文所述在生物醫(yī)療和健康，如神經(jīng)元刺激等，以及可見光通訊方面，microLED都是有應用前景的。因此從市場價值來看，microLED創(chuàng)造的市場規(guī)模中短期內(nèi)都至少是以數(shù)十億計的，當然前提是microLED最終邁向成熟和大規(guī)模量產(chǎn)。

獨特結構，可能改變顯示行業(yè)的格局

文首已經(jīng)提到過microLED屏的結構（圖1），用比較簡單的話來說microLED屏幕的制造常規(guī)的分成三步（尤其是pick-and-place轉(zhuǎn)移LED方法）。第一步是在wafer上生長出LED，第二步是制造背板（backplane，傳統(tǒng)屏幕的背板就是TFT），第三步則是將LED從wafer上轉(zhuǎn)移到背板上。

看這個制造流程就不難發(fā)現(xiàn)，microLED屏的結構比LCD和OLED都更簡單，這也決定了它可以做得更薄，而且從材料角度比OLED具備更長的壽命和穩(wěn)定性，不會對水和氧過分敏感。但這其中的任何一步都可謂難點重重。

一般microLED芯片結構有兩大類，分別是倒裝芯片（flip-chip）和垂直結構，傳統(tǒng)的水平橫向結構不大適用于microLED。根據(jù)最終的應用方向，現(xiàn)在的microLED技術需要作出結構上的選擇，比如AR/VR更適用于垂直結構，因為有高ppi的需求。

比較有趣的是，就現(xiàn)階段microLED材料、結構與制造工藝，市場參與者的實施方案可能是存在較大差異的，都有各自的專有技術方法——這也表明這種技術處在新生階段，大家都在探討技術的最優(yōu)解（或這項技術天生具備了面向不同應用的多樣性）。

比較具有代表性的如垂直結構的AlInGaP（磷化鋁鎵銦）紅色microLED，可以搭配藍色和綠色的InGaN（氮化銦鎵）LED。AlInGaP垂直microLED顯示面板的制造流程，在垂直結構中比較具有代表性；InGaN的垂直RGB microLED也采用類似的工藝流程。

另外，InGaN倒裝芯片結構也是一個大類，在制造方面與傳統(tǒng)的LED倒裝方案類似。此外還有色彩轉(zhuǎn)換量子點RGB結構，RGB microLED是通過藍光/UV倒裝或垂直芯片microLED色彩轉(zhuǎn)換而來——這種方法比直接的RGB發(fā)光技術要簡單，因為實際上只使用一種色光的microLED，但有色彩串擾、低效率等缺點。在具體的實施上也有多種方案，具體的不再展開。

除了前面板以外，針對整個microLED屏幕，再來談談背板部分，也就是控制每個像素明滅和灰度級的晶體管電路層——以前這一層通常就是TFT。microLED當然也能直接應用TFT，包括非晶硅、LTPS（低溫多晶硅）等技術，但現(xiàn)有解決方案中microLED背板部分也有應用CMOS方案的。

CMOS相比a-Si/LTPS TFT的優(yōu)勢主要包括，單晶硅具備更高的結晶質(zhì)量和電性質(zhì)，尤其是更高的電子遷移率。這一點實際上成為顯示向半導體進一步靠攏的組成部分，也對顯示領域的現(xiàn)有市場參與者提出了不同以往的要求。

加上microLED整個顯示屏的結構與組成部分的變化，包括晶圓制造、外延生長，以及下文要提到LED芯片的mass transfer等，這可能導致顯示行業(yè)價值鏈的整體顛簸和重心遷移——甚至可能令部分傳統(tǒng)顯示企業(yè)的重要性在行業(yè)內(nèi)顯著下降。

單晶硅電路可以更多采用IC制造工廠現(xiàn)有的設備設施和工藝，提供高性能、高可靠性和小尺寸的CMOS。CMOS驅(qū)動的小尺寸和成熟性，能夠在顯示屏上實現(xiàn)更多的功能特性，也為microLED前面板的實施留下了更大的空間，在提升顯示質(zhì)量的前提下縮減設備尺寸。

CMOS背板通常在半導體工廠以BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）技術制造。0.18-0.35μm工藝就可用于制造microLED顯示屏的CMOS背板。

不過硅晶圓的尺寸限制與顯著高于TFT的成本，讓CMOS暫時也僅限于小尺寸（但高ppi）屏幕，是很小的那種，比如AR/VR這類對ppi有高要求但屏幕尺寸比較小的應用；而且單晶硅是不透明的，也部分局限了其應用場景。

microLED的主要技術挑戰(zhàn)

要通過一篇文章來傳達microLED的技術全局，還是頗有難度的，未來我們可以對每個細節(jié)做深入的觀察。本文的最后主要來談談microLED現(xiàn)階段遭遇的技術挑戰(zhàn)，也是令其難以實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的一些原因。

事實上，microLED制造中遇到的問題遠比以下列舉的挑戰(zhàn)更多。而且因為這些挑戰(zhàn)和問題的存在，有分析與咨詢機構猜測，microLED未必會成為顯示技術的未來——畢竟電子行業(yè)內(nèi)竹籃打水一場空的先例也不在少數(shù)。而且如前文所述，在通往microLED屏幕的這條路上，還沒有一個市場參與者約定俗成的標準化道路，這也進一步增加了microLED的不確定性。

總的來說，microLED的幾個重大技術挑戰(zhàn)包括了：mass transfer——也就是在microLED制造流程中，將LED從原wafer，遷移到背板上的過程；microLED現(xiàn)階段較低的發(fā)光效率（EQE）；以及microLED更需要從系統(tǒng)的角度來選擇不同階段的工藝技術；還有背板基板的制造、RGB三色實施方案等。

圖3，來源：eLux Display

首先，比較為人所知的應該就是mass transfer了。國內(nèi)有譯作“巨量轉(zhuǎn)移”的，就是將LED移到背板上的過程。前文提到的InGaN、AlGaInP不同色光也就是RGB的LED，生長在不同的襯底上，這種wafer上的外延生長有相對成熟的方案，當然這個過程本身也不同于常規(guī)方案。

但更大的挑戰(zhàn)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)移這些LED的過程中，畢竟當這些LED的尺寸小到microLED像素級別，而且多達幾千萬顆的程度，比如4K分辨率有超過800萬個像素，每個像素又有RGB三個子像素，就有超過2400萬顆LED需要轉(zhuǎn)移；轉(zhuǎn)移效率、對齊精度、良率等相關的工藝難度就會大出許多。

現(xiàn)有研究成果的主流方案有兩類，分別是直接整片全體轉(zhuǎn)移，以及間接的pick-and-place（拾取并放置）。整片轉(zhuǎn)移采用wafer-to-wafer或者die-to-wafer bonding的方法，這種方案適用于高ppi的小屏幕；而pick-and-place則比較復雜，是每次拿取一部分microLED做貼裝，并重復這個動作，有時需要借用載體。對于大尺寸顯示面板而言，這種方案是更加適用的。

Pick-and-place技術有比較高的復雜度，不同的市場參與者和研究機構有不同的方案，比如說electrostatic transfer head、elastomer stamp transfer printing，以及fluidic transfer、激光剝離等。

圖3上半部分展示的方案就是elastomer stamp transfer printing。這種方案是藉由一個帶玻璃背板的高彈性載體，將LED批量轉(zhuǎn)移（據(jù)說一次可以轉(zhuǎn)移幾萬顆）到屏幕背板上；這個載體本身也是透明的，有利于做光學對齊。有關如何附著、釋放，都是頗有門道的。還有像Lumiode這樣的公司，著眼于把背板直接堆在microLED wafer上面。這些只是列舉眾多方法中的一兩個。

其次，除了mass transfer之外，microLED效率低下也是個大難題。如前文所述，microLED的EQE顯著低下。EQE是指發(fā)射到外部的光子數(shù)，與流過結的載流子數(shù)目之比。EQE越大，則LED發(fā)光效率越高。解決microLED的發(fā)光效率問題，是這類屏幕實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的基礎。

microLED尺寸小，在大屏幕上受到比較嚴重的側(cè)壁效應影響（傳統(tǒng)LED本身很大，邊緣的尺寸相對的比例并不大，側(cè)壁效應影響很?。?。各種側(cè)壁缺陷主要是蝕刻過程中出現(xiàn)的，這些缺陷會導致非輻射復合。低電流密度下，microLED的效率將非常低下。改進方法包括新型的LED芯片結構設計、工藝流程改進等，減少側(cè)壁效應、提升EQE。

不過似乎現(xiàn)有microLED方案EQE仍遠低于常規(guī)大尺寸的LED。在此，不同色的microLED材料選擇也會成為制造中的難點。

再有，從更系統(tǒng)的角度來看，microLED的生產(chǎn)制造對更多領域的專業(yè)知識有了新要求，包括晶圓制造、外延生長、mass transfer、背板制造等。而且每個階段都還沒有明確、統(tǒng)一的技術方向；它們彼此之間還形成了環(huán)環(huán)相扣的關系，甚至還需要考慮到最終應用是什么，才能明確不同環(huán)節(jié)采用何種方案。

所以有咨詢機構認為，更具備垂直整合能力的市場參與者會在microLED時代中嶄露頭角——比如蘋果可能會有希望，還有富士康/夏普，以及三星、LG，因為microLED顯然是個更系統(tǒng)的過程。當然這可能也更考驗市場參與者之間的協(xié)同能力，而目前較為分散的microLED技術實施方案顯然與之背道而馳。

其他microLED相關的挑戰(zhàn)還包括測試方面的（更小的microLED對測試提出了高得多的要求，而且整個鏈條上的每個階段都需要做測試；需要開發(fā)新的測試方法；采用系統(tǒng)的工程方法覆蓋整個生產(chǎn)流程）；以及一些更細致的問題，如外延生長過程中波長一致性的控制，LED結構設計中波長偏移、光譜FWHM的降低，像素發(fā)光串擾的控制（類似于miniLED一文中提到的光暈效應），以及電路設計中提升波長與亮度一致性的補償電路等等。

未來的不可知性

即便有這么多技術挑戰(zhàn)，不少市場參與者在microLED技術上的布局都相當積極，尤其是中國國內(nèi)顯示供應鏈相關的企業(yè)，面板制造商諸如京東方、TCL/華星光電、天馬微電子，LED供應商三安光電、華燦光電、國星光電、聚飛光電，紛紛在加大mini/microLED兩類產(chǎn)品R&D方面的投入。

LED芯片制造商三安光電將mini/microLED作為開發(fā)策略的重點，2019年三安光電就宣布投資12億元人民幣在湖北鄂州的葛店經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)針對研發(fā)生產(chǎn)做布局；去年，三安光電與華星光電宣布合作成立聯(lián)合實驗室，投入3億元人民幣共同開發(fā)microLED材料、制造工藝和設備。另外還有諸如利亞德與晶元光電聯(lián)合投資數(shù)億元人民幣，在無錫生產(chǎn)mini/microLED芯片和模塊，加速新一代顯示解決方案的商業(yè)化進程等。

在microLED這種技術的發(fā)展下，顯示行業(yè)可能會發(fā)生翻天覆地的變化。只是在針對microLED市場的諸多猜測中，仍有相當一部分是對microLED技術的質(zhì)疑；即便從現(xiàn)有市場參與者的角度，他們都仍然認為microLED的成熟可能還需要一段時間。市場仍有一定概率出現(xiàn)，microLED會向前發(fā)展，但LCD和OLED仍長期統(tǒng)治市場的局面。要知道，某個企業(yè)甚至行業(yè)點錯技能樹的情形，在科技領域是相當廣泛的，但我們期待著microLED的進步和成熟。

編輯：hfy