解析Micro LED的技術(shù)發(fā)展與市場(chǎng)潛力

近日，TrendForce集邦科技旗下LED行業(yè)研究品牌LEDinside（LED在線）得知micro LED將于2018年量產(chǎn)的消息。為了更全面的了解microLED的技術(shù)發(fā)展與市場(chǎng)潛力，在線君對(duì)microLED的歷史、現(xiàn)況、原理、制程及參與企業(yè)等多方面做了全面的梳理。

歷史

說起Micro LED，先得從顯示TFT-LCD背光模組應(yīng)用說起。在1990年代TFT-LCD開始蓬勃發(fā)展時(shí)，因LED具有高色彩飽和度、省電、輕薄等特點(diǎn)，部分廠商就利用LED做背光源。然而因成本過高、散熱不佳、光電效率低等因素，并未大量應(yīng)用于TFT-LCD產(chǎn)品中。

直到2000年，藍(lán)光LED芯片刺激熒光粉制成白光LED技術(shù)的制程、效能、成本開始逐漸成熟；當(dāng)進(jìn)入2008年，白光LED背光模組呈現(xiàn)爆發(fā)性的成長(zhǎng)，幾年間幾乎全面取代了CCFL，其應(yīng)用領(lǐng)域由手機(jī)、平板電腦、筆電、臺(tái)式顯示器乃至電視等等。

然而，因TFT-LCD非自發(fā)光的顯示原理所致，其opencell穿透率約在7%以下，造成TFT-LCD的光電效率低落；且白光LED所能提供的色飽和度仍不如三原色LED，大部分TFT-LCD產(chǎn)品約僅72%NTSC；再則，于室外環(huán)境下，TFT-LCD亮度無法提升至1000nits以上，致使影像和色彩辨識(shí)度低，為其一大應(yīng)用缺陷。故另一種直接利用三原色LED做為自發(fā)光顯示點(diǎn)劃素的LED Display或Micro LED Display的技術(shù)也正在發(fā)展中。

現(xiàn)況

隨著LED的成熟與演進(jìn)，Micro LED Display自2010年起開始有著不一樣的面貌呈現(xiàn)。

從其發(fā)展歷程來看，2012年Sony發(fā)表的55寸“CrystalLEDDisplay”就是MicroLEDDisplay技術(shù)類型，其FullHD解析度共使用約622萬（1920x1080x3）顆micro LED做為高解析的顯示劃素，對(duì)比度可達(dá)百萬比一，色飽和度可達(dá)140%NTSC，無反應(yīng)時(shí)間和使用壽命問題。但是因采單顆MicroLED嵌入方式，在商業(yè)化上，仍有不少的成本與技術(shù)瓶頸存在，以致于迄今未能量產(chǎn)。

雖然MicroLED理論上是皆可應(yīng)用各類尺寸產(chǎn)品，但從自身良率及制程來看，目前對(duì)解析度高低的需求與良率成反比，所以對(duì)解析度要求不高的穿戴式產(chǎn)品的顯示器因尺寸面積小、制作良率較高、符合節(jié)電需求，而被優(yōu)先導(dǎo)入microLED。

一般LED芯片包含基板和磊晶層其厚度約在100~500μm，且尺寸介于100~1000μm。而更進(jìn)一步正在進(jìn)行的Micro LED Display研究在于將LED表面厚約4~5μm磊晶層用物理或化學(xué)機(jī)制剝離，再移植至電路基板上。

其Micro LED Display綜合TFT-LCD和LED兩大技術(shù)特點(diǎn)，在材料、制程、設(shè)備的發(fā)展較為成熟，產(chǎn)品規(guī)格遠(yuǎn)高于目前的TFT-LCD或OLED，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛包含軟性、透明顯示器，為一可行性高的次世代平面顯示器技術(shù)。

自2010年后各廠商積極于Micro LED Display的技術(shù)整合與開發(fā)，然因Micro LED Display尚未有標(biāo)準(zhǔn)的μLED結(jié)構(gòu)、量產(chǎn)制程與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，各廠商其專利布局更是兵家必爭(zhēng)之地。

迄2016年止，已被Apple并購的Luxvue、MikroMesa、SONY、leti等公司皆已具數(shù)量規(guī)模的專利申請(qǐng)案，更有為數(shù)眾多的公司與研究機(jī)構(gòu)投入相關(guān)的技術(shù)開發(fā)。

原理

Micro LED Display的顯示原理，是將LED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1-10μm等級(jí)左右；后將Micro LED批量式轉(zhuǎn)移至電路基板上，其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上；再利用物理沉積制程完成保護(hù)層與上電極，即可進(jìn)行上基板的封裝，完成一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的MicroLED顯示。

而要制成顯示器，其晶片表面必須制作成如同LED顯示器般之陣列結(jié)構(gòu)，且每一個(gè)點(diǎn)劃素必須可定址控制、單獨(dú)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮。若透過互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體電路驅(qū)動(dòng)則為主動(dòng)定址驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，MicroLED陣列晶片與CMOS間可透過封裝技術(shù)。

黏貼完成后Micro LED能藉由整合微透鏡陣列，提高亮度及對(duì)比度。Micro LED陣列經(jīng)由垂直交錯(cuò)的正、負(fù)柵狀電極連結(jié)每一顆Micro LED的正、負(fù)極，透過電極線的依序通電，透過掃描方式點(diǎn)亮Micro LED以顯示影像。

Micro LED典型結(jié)構(gòu)是一PN接面二極管，由直接能隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成。當(dāng)對(duì)Micro LED上下電極施加一正向偏壓，致使電流通過時(shí)，電子、空穴對(duì)于主動(dòng)區(qū)復(fù)合，發(fā)射出單一色光。MicroLED光譜主波長(zhǎng)的FWHM約20nm，可提供極高的色飽和度，通?？伞?20%NTSC。

而且自2008年以后，LED光電轉(zhuǎn)換效率得到了大幅提高，100lm/W以上已成量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。因此對(duì)于Micro LED顯示的應(yīng)用，因其自發(fā)光的顯示特性，搭配幾乎無光耗元件的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，就可輕易實(shí)現(xiàn)低能耗或高亮度的顯示器設(shè)計(jì)。

這樣可解決目前顯示器應(yīng)用的兩大問題，一是穿戴型裝置、手機(jī)、平板等設(shè)備的80%以上的能耗在于顯示器上，低能耗的顯示器技術(shù)可提供更長(zhǎng)的電池續(xù)航力；二是環(huán)境光較強(qiáng)致使顯示器上的影像泛白、辨識(shí)度變差的問題，高亮度的顯示技術(shù)可使其應(yīng)用的范疇更加寬廣。

制程種類及技術(shù)發(fā)展

對(duì)于半導(dǎo)體與芯片的制程微縮目前已到極限，而在制造上的微縮卻還存在相當(dāng)大的成長(zhǎng)空間，對(duì)于Micro LED制程上，目前主要呈現(xiàn)分為三大種類：Chip bonding、Wafer bonding和Thin film transfer。

三大制程的各自優(yōu)劣勢(shì)及廠商

Chip bonding（芯片級(jí)焊接）

將LED直接進(jìn)行切割成微米等級(jí)的Micro LED chip（含磊晶薄膜和基板），利用SMT技術(shù)或COB技術(shù)，將微米等級(jí)的Micro LED chip一顆一顆鍵接于顯示基板上。

Wafer bonding（外延級(jí)焊接）

在LED的磊晶薄膜層上用感應(yīng)耦合等離子離子蝕刻（ICP），直接形成微米等級(jí)的MicroLED磊晶薄膜結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)之固定間距即為顯示劃素所需的間距，再將LED晶圓（含磊晶層和基板）直接鍵接于驅(qū)動(dòng)電路基板上，最后使用物理或化學(xué)機(jī)制剝離基板，僅剩4~5μm的MicroLED磊晶薄膜結(jié)構(gòu)于驅(qū)動(dòng)電路基板上形成顯示劃素。

Thin film transfer（薄膜轉(zhuǎn)移）

使用物理或化學(xué)機(jī)制剝離LED基板，以一暫時(shí)基板承載LED磊晶薄膜層，再利用感應(yīng)耦合等離子離子蝕刻，形成微米等級(jí)的MicroLED磊晶薄膜結(jié)構(gòu)；或者，先利用感應(yīng)耦合等離子離子蝕刻，形成微米等級(jí)的MicroLED磊晶薄膜結(jié)構(gòu)，再使用物理或化學(xué)機(jī)制剝離LED基板，以一暫時(shí)基板承載LED磊晶薄膜結(jié)構(gòu)。

最后，根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路基板上所需的顯示劃素點(diǎn)間距，利用具有選擇性的轉(zhuǎn)移治具，將Micro LED磊晶薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行批量轉(zhuǎn)移，鍵接于驅(qū)動(dòng)電路基板上形成顯示劃素。

總結(jié)

盡管Micro LED顯示已經(jīng)備受企業(yè)關(guān)注和加大研發(fā)，在規(guī)格上也較LCD具有多重好處，甚至劃質(zhì)上可與OLED相媲美，但是現(xiàn)階段該顯示器發(fā)展并未普及，主要困難點(diǎn)有三大方面。

第一，在于LED固晶上。以目前已成熟的LED燈條制程為例，在制作一LED燈條尚有壞點(diǎn)等失敗問題發(fā)生，何況是一片顯示器上要嵌入數(shù)百萬顆微型LED。而LCD與OLED已采批次作業(yè)，良率表現(xiàn)相對(duì)較佳。

第二，在LED組件上。覆晶LED適合于MicroLED顯示，因其體積小、易制作成微型化，不需金屬導(dǎo)線、可縮減LED彼此間的間隙等，雖然FlipChip目前的良率還有一定問題，但是隨著LED的技術(shù)的逐漸完善和資本的不斷注入，已經(jīng)在穩(wěn)步提升。

第三，在規(guī)?；D(zhuǎn)移上。未來MicroLED顯示困難處在于嵌入LED制程不易采大批量的作業(yè)方式，尤其是RGB的3色LED較單色難度更高。但是未來隨著LED黏著、印刷等技術(shù)方法的提升，則有利于MicroLED顯示導(dǎo)入量產(chǎn)化階段。
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