一文詳解Micro LED技術及關鍵組成架構和市場概況

01

Micro LED技術概(gai)況

　　Micro LED技術，即LED微縮化和矩陣化技術。指的是在一個芯片上集成的高密度微小尺寸的LED陣列，如LED顯示屏每一(yi)個像(xiang)素(su)可定址、單獨驅動(dong)點(dian)(dian)亮，可看成是戶外LED顯示屏的(de)微(wei)縮(suo)版，將像(xiang)素(su)點(dian)(dian)距離從毫米級降(jiang)低至微(wei)米級。

　　而Micro LED display，則是(shi)底層(ceng)用正常的CMOS集(ji)成電路制(zhi)(zhi)造工(gong)藝制(zhi)(zhi)成LED顯(xian)(xian)示驅動電路，然(ran)后再用MOCVD機在集(ji)成電路上制(zhi)(zhi)作LED陣(zhen)列，從而實現了微型，也就是(shi)所說的LED顯(xian)(xian)示屏的縮小版。

　　Micro LED的(de)(de)(de)像(xiang)素單元在100微米(mi)(P0.1)以(yi)下，并(bing)被高密度地集成在一個芯片上。微縮化(hua)使得(de)MicroLED具有更高的(de)(de)(de)發光(guang)亮(liang)(liang)度、分辨率與(yu)色彩飽和度，以(yi)及更快的(de)(de)(de)顯(xian)示(shi)響應速度，預(yu)期(qi)能(neng)夠應用(yong)于對亮(liang)(liang)度要求(qiu)較高的(de)(de)(de)增強現實(shi)(AR)微型投影(ying)(ying)裝置、車用(yong)平視(shi)顯(xian)示(shi)器(HUD)投影(ying)(ying)應用(yong)、超(chao)大(da)型顯(xian)示(shi)廣告牌等特殊顯(xian)示(shi)應用(yong)產(chan)品，并(bing)有望(wang)擴展(zhan)到可穿戴/可植入(ru)器件(jian)、虛(xu)擬現實(shi)(VR)、光(guang)通訊/光(guang)互(hu)聯、醫療探測、智能(neng)車燈、空間成像(xiang)等多個領域。

　　顧名思義，Micro LED就是(shi)“微”LED，作(zuo)為一種新顯示技術，與其(qi)它顯示技術，比如LCD，OLED，PDP，其(qi)核心(xin)的不(bu)同(tong)之(zhi)處(chu)在于(yu)(yu)其(qi)采用無機LED作(zuo)為發光像素。對(dui)于(yu)(yu)“Micro”這個概念，到底定(ding)義是(shi)多少呢(ni)?像素尺(chi)寸一般要到100μm以下。

　　LED并不(bu)是(shi)(shi)一個新(xin)事(shi)物(wu)，作為發(fa)光二極管，其(qi)(qi)在顯(xian)(xian)示(shi)(shi)上(shang)(shang)的(de)應用本(ben)應該是(shi)(shi)順理成章的(de)事(shi)情。但是(shi)(shi)很長一段時間，除(chu)了戶外(wai)廣告屏上(shang)(shang)的(de)應用之(zhi)外(wai)，LED顯(xian)(xian)示(shi)(shi)應用一直不(bu)能發(fa)展(zhan)起來，其(qi)(qi)原(yuan)因是(shi)(shi)：a.要(yao)做到手機屏/電視這種(zhong)級別的(de)顯(xian)(xian)示(shi)(shi)器，LED像素在尺寸上(shang)(shang)難以做小;b. LED外(wai)延(yan)晶(jing)片與顯(xian)(xian)示(shi)(shi)驅(qu)動(dong)工(gong)藝不(bu)兼容，且需(xu)考慮大(da)尺寸顯(xian)(xian)示(shi)(shi)的(de)問題，所以針(zhen)對(dui)Micro LED需(xu)要(yao)開放合適的(de)背板技(ji)術。c. 如何將“巨量(liang)”的(de)三色微(wei)小LED轉(zhuan)移(yi)(yi)到制作好驅(qu)動(dong)電路的(de)基底上(shang)(shang)去，即“巨量(liang)轉(zhuan)移(yi)(yi)”技(ji)術，也是(shi)(shi)決定Micro LED能否商業的(de)關鍵。

　　由于像素單元(yuan)低至微米量級，Micro LED顯示產品具有多項性能指標優(you)勢。Micro LED功(gong)率消耗(hao)量僅為LCD的(de)10%、OLED的(de)50%，其亮度可(ke)達OLED的(de)10倍，分辨率可(ke)達OLED的(de)5倍。

　　在(zai)設(she)備兼容性方面(mian)，Micro LED有望(wang)承接液晶顯示(shi)(shi)(shi)高度成熟的(de)電流驅動TFT技(ji)術(shu)，在(zai)未來顯示(shi)(shi)(shi)技(ji)術(shu)演進進程中具(ju)有一定優勢。根(gen)據(ju)LEDinside預估，2022年(nian)Micro LED顯示(shi)(shi)(shi)的(de)市場(chang)銷售額將達到6.94億美元，略(lve)高于Mini LED顯示(shi)(shi)(shi)。Micro LED與(yu)LCD、OLED和(he)量子點LED(QLED)顯示(shi)(shi)(shi)的(de)性能比較如下表所示(shi)(shi)(shi)：

　　1 Micro LED 顯示原理

　　系將(jiang)LED結(jie)構(gou)設計進行薄膜化(hua)、微小化(hua)、陣列化(hua)，其尺(chi)寸僅在1~10μm等級左右;后將(jiang)μLED批量式轉移至電路基板(ban)上(含下電極(ji)與晶體(ti)管)，其基板(ban)可(ke)為硬性、軟性之(zhi)透(tou)明、不透(tou)板(ban)上;再(zai)利(li)用物理沉積(ji)制(zhi)程完成(cheng)保護層(ceng)與上電極(ji)，即可(ke)進行上基板(ban)的封裝，完成(cheng)一(yi)結(jie)構(gou)簡單的Micro LED Display。

圖片來源(yuan)：DJ理財網

　　2 Micro LED典型結構

　　PN接(jie)面二極(ji)管(guan)，由直接(jie)能(neng)隙半導體(ti)材料構成。當上下(xia)電極(ji)施加一順向偏壓(ya)于μLED，致使電流通(tong)過(guo)時(shi)，電子、電洞對于主動(dong)區(Active region) 復合，而發(fa)射出單一色(se)光。μLED發(fa)光頻譜其(qi)主波長的半高(gao)全寬(kuan)FWHM僅約(yue)20nm，可提(ti)供極(ji)高(gao)的色(se)飽(bao)和度，通(tong)常可大于120%NTSC。

　　且自2008年后LED光電轉換效率大幅提高，100 lm/W以上的LED已成量產之標準。而在Micro LED Display的應用上，為自發光的顯示特性，輔以幾乎無光耗元件的簡易結構，故可輕易達到低能耗(10%~20% TFT-LCD能耗) 或高亮度(1000nits以上) 的顯示器設計。即可解決目前顯示器應用的兩大問題，一是穿戴型裝置、手機、平板等設備，有8成以上的能耗在于顯示器上，低能耗的顯示器技術可提供更長的電池續航力(li);一是環境光較強(例(li)：戶(hu)外、半戶(hu)外)致使顯示器(qi)上的影像泛白、辨識度(du)變差的問題，高(gao)亮度(du)的顯示技術(shu)可使其應用的范疇(chou)更加(jia)寬(kuan)廣。

　　3 Micro 顯示原理

　　像素結構

　　Micro LED顯示(shi)一般采(cai)用成熟的(de)多量子阱(jing)LED芯片(pian)技術。以(yi)典型(xing)的(de)InGaN基LED芯片(pian)為例，Micro LED像(xiang)(xiang)素(su)單(dan)元結構從(cong)下往上依(yi)次(ci)為藍寶石襯底層(ceng)、25nm的(de)GaN緩沖層(ceng)、3μm的(de)N型(xing)GaN層(ceng)、包含(han)多周(zhou)期量子阱(jing)(MQW)的(de)有源層(ceng)、0.25μm的(de)P型(xing)GaN接觸(chu)層(ceng)、電(dian)(dian)流擴展層(ceng)和(he)P型(xing)電(dian)(dian)極。像(xiang)(xiang)素(su)單(dan)元加正向偏電(dian)(dian)壓時，P型(xing)GaN接觸(chu)層(ceng)的(de)空(kong)(kong)穴和(he)N型(xing)GaN層(ceng)的(de)電(dian)(dian)子均向有源層(ceng)遷(qian)移，在有源層(ceng)電(dian)(dian)子和(he)空(kong)(kong)穴發(fa)生(sheng)電(dian)(dian)荷復合，復合后能量以(yi)發(fa)光形式釋放。

　　與傳統LED顯示(shi)屏(ping)相比，Micro LED具(ju)有兩(liang)大特(te)征，一是微縮化(hua)，其像素(su)大小和(he)(he)像素(su)間距(ju)從毫米級(ji)(ji)降低至微米級(ji)(ji);二(er)是矩陣化(hua)和(he)(he)集成化(hua)，其器件結構包括CMOS工(gong)藝制備的LED顯示(shi)驅動電路(lu)和(he)(he)LED矩陣陣列。

　　陣列驅動

　　InGaN基Micro LED的像(xiang)素(su)單(dan)元一般通(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)過以下四個步驟制備。第一步通(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)過ICP刻蝕工(gong)藝，刻蝕溝槽至藍寶石層，在(zai)(zai)外(wai)延片上隔離出分離的長條(tiao)形GaN平(ping)臺(tai)。第二步在(zai)(zai)GaN平(ping)臺(tai)上，通(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)過ICP刻蝕，確立每個特定尺寸的像(xiang)素(su)單(dan)元。第三(san)步通(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)過剝離工(gong)藝，在(zai)(zai)P型(xing)GaN接(jie)觸層上制作(zuo)Ni/Au電流擴展層。第四步通(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)過熱沉積(ji)，在(zai)(zai)N型(xing)GaN層和P型(xing)GaN接(jie)觸層上制作(zuo)Ti/Au歐姆接(jie)觸電極。其中，每一列像(xiang)素(su)的陰極通(tong)(tong)(tong)(tong)(tong)過N型(xing)GaN層共陰極連接(jie)，每一行像(xiang)素(su)的陽極則有不(bu)同的驅(qu)動(dong)(dong)連接(jie)方式，其驅(qu)動(dong)(dong)方式主(zhu)要包(bao)括(kuo)被動(dong)(dong)選址驅(qu)動(dong)(dong)(PassiveMatrix，簡稱(cheng)PM，又稱(cheng)無(wu)源尋址驅(qu)動(dong)(dong))、主(zhu)動(dong)(dong)選址驅(qu)動(dong)(dong)(ActiveMatrix，簡稱(cheng)AM，又稱(cheng)有源尋址驅(qu)動(dong)(dong))和半(ban)主(zhu)動(dong)(dong)選址驅(qu)動(dong)(dong)三(san)種方式。

　　其中，被動選址驅動是把(ba)像(xiang)素(su)電極(ji)(ji)做成(cheng)矩陣型結構，每一列(lie)(行(xing)(xing))像(xiang)素(su)的(de)陽(yang)(陰(yin))極(ji)(ji)共用(yong)一個列(lie)(行(xing)(xing))掃描(miao)(miao)(miao)線，兩層電極(ji)(ji)之(zhi)間(jian)通過(guo)沉積層進行(xing)(xing)電學隔離，以同時選通第X行(xing)(xing)和(he)第Y列(lie)掃描(miao)(miao)(miao)線的(de)方式來(lai)點(dian)亮位于第X行(xing)(xing)和(he)第Y列(lie)的(de)LED像(xiang)素(su)，高(gao)速(su)逐點(dian)(或逐行(xing)(xing))掃描(miao)(miao)(miao)各個像(xiang)素(su)來(lai)實現(xian)整個畫面顯示(shi)的(de)模式。

　　主(zhu)動(dong)(dong)(dong)選址(zhi)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)模(mo)式下，每(mei)(mei)個 Micro LED 像素(su)(su)有其對應的(de)獨立(li)驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)路，驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)流(liu)由驅(qu)動(dong)(dong)(dong)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)提(ti)供(gong)。基本的(de)主(zhu)動(dong)(dong)(dong)矩陣驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)路為(wei)(wei)雙(shuang)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)單(dan)電(dian)(dian)(dian)容電(dian)(dian)(dian)路。每(mei)(mei)個像素(su)(su)電(dian)(dian)(dian)路中，選通晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)用來控制像素(su)(su)電(dian)(dian)(dian)路開關，驅(qu)動(dong)(dong)(dong)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)與電(dian)(dian)(dian)源連(lian)通為(wei)(wei)像素(su)(su)提(ti)供(gong)穩定電(dian)(dian)(dian)流(liu)，存(cun)儲電(dian)(dian)(dian)容用來儲存(cun)數據信(xin)號。為(wei)(wei)了提(ti)高灰(hui)階等(deng)(deng)顯示能力，可以(yi)采用四晶(jing)(jing)(jing)體(ti)(ti)管(guan)雙(shuang)電(dian)(dian)(dian)容電(dian)(dian)(dian)路等(deng)(deng)復雜(za)的(de)主(zhu)動(dong)(dong)(dong)矩陣驅(qu)動(dong)(dong)(dong)電(dian)(dian)(dian)路。

　　半主(zhu)動(dong)(dong)選址驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)方式(shi)采用單(dan)晶(jing)體管(guan)作為 Micro LED 像(xiang)素(su)的驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)電路，從而可以較好(hao)地避免像(xiang)素(su)之(zhi)間的串擾現(xian)象(xiang)。半主(zhu)動(dong)(dong)驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)由(you)于(yu)每列驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)電流信(xin)號(hao)需(xu)要單(dan)獨調制，性能介于(yu)主(zhu)動(dong)(dong)驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)和(he)被動(dong)(dong)驅(qu)(qu)(qu)(qu)動(dong)(dong)之(zhi)間。

　　4 芯片制備

　　與LED顯示相同，Micro LED芯(xin)片(pian)一般采用刻蝕和外延生長(Epitaxy，又稱磊晶)的方式(shi)制備(bei)。芯(xin)片(pian)制作(zuo)流程主要包括以下幾步：

　　襯(chen)底(di)(di)制備，用有機溶劑和酸液(ye)清洗藍(lan)寶(bao)石襯(chen)底(di)(di)后(hou)，采(cai)用干法刻蝕(shi)制備出圖形化藍(lan)寶(bao)石襯(chen)底(di)(di)。

　　中間層制備(bei)，利用MOCVD進(jin)行(xing)氣相外延(yan)，在高溫條件下分別進(jin)行(xing)GaN緩沖層、N型(xing)(xing)GaN層、多層量(liang)子阱、P型(xing)(xing)GaN層生長制備(bei)。

　　臺階刻蝕，在外延片表面形成圖形化光(guang)刻膠，之后利(li)用感(gan)應耦合等離子體刻蝕(ICP)工藝(yi)刻蝕到N型GaN層。

　　導(dao)(dao)電(dian)(dian)層制(zhi)備(bei)，在樣品(pin)表面(mian)濺射氧化銦錫(ITO)導(dao)(dao)電(dian)(dian)層，光(guang)刻形成圖形化ITO導(dao)(dao)電(dian)(dian)層。五是絕(jue)緣層制(zhi)備(bei)，利(li)用(yong)等離子體(ti)增強化學的氣相沉積法(PECVD)沉積形成SiO2絕(jue)緣層，之后經光(guang)刻和濕法刻蝕。

　　電極制備，采用(yong)剝(bo)離法等方(fang)法制備出(chu)圖形化光(guang)刻(ke)膠，電子束蒸發(fa)Au后利(li)用(yong)高壓(ya)剝(bo)離機對光(guang)刻(ke)膠進行(xing)剝(bo)離。

圖片來源(yuan)：DJ理財網

　　5 Micro LED背板

　　從應用(yong)來(lai)看，大尺寸(cun)顯(xian)示(shi)(shi)(shi)器顯(xian)示(shi)(shi)(shi)屏因顯(xian)示(shi)(shi)(shi)面積大以至(zhi)于(yu)畫素間距也較大，在(zai)背板的(de)選(xuan)用(yong)上會有(you)PCB與Glass的(de)選(xuan)擇。中型(xing)尺寸(cun)的(de)車用(yong)顯(xian)示(shi)(shi)(shi)器則(ze)不使用(yong)線(xian)寬(kuan)線(xian)距較大的(de)PCB，而以線(xian)寬(kuan)線(xian)距極限略(lve)小(xiao)于(yu)PCB 的(de)Glass以及FPC為(wei)主(zhu)。小(xiao)尺寸(cun)的(de)手(shou)機與手(shou)表以適(shi)合中小(xiao)型(xing)顯(xian)示(shi)(shi)(shi)需(xu)求的(de)玻璃與FPC的(de)背板為(wei)主(zhu)。

　　在微(wei)投影與顯(xian)示(shi)(shi)的(de)擴增(zeng)實境/虛擬實境的(de)背板(ban)顯(xian)示(shi)(shi)需求將會微(wei)縮(suo)至(zhi)30μm等級以(yi)下，因此(ci)將會以(yi)可微(wei)縮(suo)線寬線距半(ban)導體制程的(de) Si CMOS 背板(ban)為主，并背搭配眼鏡需透光的(de)需求也會有光學式(shi)FPC的(de)應用需求。

　　從基(ji)(ji)板材質(zhi)看(kan)，Micro LED芯片和背(bei)板的(de)鍵合的(de)基(ji)(ji)材主要(yao)有PCB、玻(bo)璃和硅基(ji)(ji)。根據線寬、線距極限(xian)的(de)不同(tong)，可以搭配不同(tong)的(de)背(bei)板基(ji)(ji)材。其中，PCB 基(ji)(ji)板的(de)應(ying)用最為成熟。

　　另(ling)外CMOS工(gong)藝，其采用(yong)鍵合金屬實現LED陣列與硅基CMOS驅動(dong)背板(ban)(ban)的電(dian)學(xue)與物理連接(jie)。制作過(guo)(guo)程中，首先在CMOS驅動(dong)背板(ban)(ban)中通(tong)過(guo)(guo)噴(pen)濺工(gong)藝熱沉積和剝離(li)工(gong)藝等(deng)形成功能層，再通(tong)過(guo)(guo)倒裝焊(han)設備即可實現LED微顯示陣列與驅動(dong)背板(ban)(ban)的對(dui)接(jie)。

圖片來源：賽迪智庫(ku)

　　Micro LED瓶頸——“巨量轉移”技術（Mass Transfer）

　　如上(shang)面(mian)所(suo)講，制(zhi)作好的(de)(de)(de)(de)微小的(de)(de)(de)(de)LED需要(yao)轉(zhuan)移到做好驅動電路的(de)(de)(de)(de)基底上(shang)。想(xiang)想(xiang)看，無論是(shi)(shi)TV還是(shi)(shi)手機屏，其像素的(de)(de)(de)(de)數量(liang)都是(shi)(shi)相(xiang)當巨大(da)的(de)(de)(de)(de)，而像素的(de)(de)(de)(de)尺寸又(you)是(shi)(shi)那么小，并(bing)且顯(xian)示產品對于像素錯誤的(de)(de)(de)(de)容忍度也(ye)是(shi)(shi)很低的(de)(de)(de)(de)，沒有(you)人(ren)愿(yuan)意去購買一塊有(you)“亮點(dian)”或“暗點(dian)”的(de)(de)(de)(de)顯(xian)示屏，所(suo)以將這些小像素完(wan)美(mei)地轉(zhuan)移到做好驅動電路的(de)(de)(de)(de)襯底上(shang)并(bing)實現電路連接是(shi)(shi)多么困(kun)難復雜的(de)(de)(de)(de)技術(shu)。實際上(shang)，“巨量(liang)轉(zhuan)移”確實是(shi)(shi)目前(qian)Micro LED商業(ye)化(hua)上(shang)面(mian)的(de)(de)(de)(de)一大(da)瓶頸技術(shu)。其轉(zhuan)移的(de)(de)(de)(de)效率，成(cheng)功(gong)率都決定著商業(ye)化(hua)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)功(gong)與否。

　　巨量轉移技術（Mass Transfer）

　　目前看來，“巨(ju)量轉(zhuan)移”都還是一個“量產(chan)前”技術，為了實現“巨(ju)量轉(zhuan)移”的目標，市面上一些(xie)相當(dang)不一樣的技術。現在總結如下：

 　　如上圖(tu)所示(shi)，目前(qian)根據已有的資料調查顯示(shi)，巨量轉移(yi)技(ji)術(shu)按(an)照原理的不(bu)一樣(yang)，主要分(fen)為四(si)個流派：精準(zhun)抓(zhua)取，自(zi)組裝，選擇性釋放和轉印(yin)技(ji)術(shu)。

　　但是(shi)即使是(shi)屬于(yu)同一(yi)個技術流派，實現的(de)方(fang)式也是(shi)很有差別(bie)，因此很難給出(chu)一(yi)個精準的(de)劃分。如下列出(chu)在巨量轉移上開展(zhan)開發的(de)一(yi)些廠(chang)商：

　　Luxvue, Cooledge, VueReal, X-Celeprint, ITRI, KIMM, Innovasonic, PlayNitride, ROHINNI, Uniqarta, Optivate, Nth degree, e-Lux, SelfArray

　　3.1 Pick&Place技術

　　3.1.1 采用(yong)范德(de)華力

　　如(ru)下為(wei)X-Celeprint的(de)(de)Elastomer Stamp技術(shu)，這屬于pick&place陣營的(de)(de)范(fan)德華力派。其(qi)采(cai)用(yong)高精度控制(zhi)的(de)(de)打印(yin)頭，進行(xing)彈(dan)性印(yin)模(mo)，利用(yong)范(fan)德華力讓LED黏附在轉移(yi)頭上，然后放(fang)置到目(mu)標襯底片上去。目(mu)前采(cai)用(yong)的(de)(de)彈(dan)性體(Elastomer)一般(ban)是PDMS。X-Celeprint也稱(cheng)其(qi)技術(shu)為(wei)Micro-Transfer_Printing(μTP)技術(shu)。

　　要實現這個過(guo)(guo)程，對(dui)于(yu)source基(ji)板的處理相當關鍵，要讓制備好(hao)的LED器件(jian)能(neng)順(shun)利地(di)被(bei)彈(dan)(dan)(dan)性體材(cai)料(liao)(Elastomer)吸附并脫離(li)源(yuan)基(ji)底(di)，先需要通過(guo)(guo)處理LED器件(jian)下(xia)面呈現“鏤(lou)空”的狀態，器件(jian)只通過(guo)(guo)錨點(dian)(Anchor)和(he)斷(duan)裂(lie)鏈(Techer)固定在基(ji)底(di)上面。當噴涂(tu)彈(dan)(dan)(dan)性體后(hou)，彈(dan)(dan)(dan)性體會與器件(jian)通過(guo)(guo)范德華力結合(he)，然后(hou)將彈(dan)(dan)(dan)性體和(he)基(ji)底(di)分離(li)，器件(jian)的斷(duan)裂(lie)鏈發生斷(duan)裂(lie)，所有(you)的器件(jian)則按照(zhao)原來的陣列(lie)排布(bu)，被(bei)轉(zhuan)移到彈(dan)(dan)(dan)性體上面。制作好(hao)“鏤(lou)空”，“錨點(dian)”和(he)“斷(duan)裂(lie)點(dian)”的基(ji)底(di)見(jian)下(xia)圖所示。

　　Rogers, J. A., et al. (2011). Unusual strategies for using indium gallium nitride grown on silicon (111) for solid-state lighting, PNAS

　　X-Celeprint在(zai)其發表(biao)在(zai)“2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference”上面(mian)的(de)論文，展(zhan)示(shi)了一些源基板制(zhi)作的(de)一些概念。如下圖所(suo)示(shi)，通(tong)過對(dui)器件底部的(de)一些處理，然后(hou)通(tong)過刻蝕的(de)方(fang)法，可以制(zhi)作成時候這種(zhong)轉移(yi)方(fang)式的(de)器件結構。但是詳(xiang)細的(de)工(gong)藝，仍然還(huan)有(you)待確認。

　　如下為X-Celeprint公司展示的實(shi)例。

　　3.1.2 采(cai)用磁力

　　利(li)用(yong)磁(ci)力的(de)原理，是(shi)在LED器件(jian)中混(hun)入鐵鈷鎳等材料，使其帶上磁(ci)性(xing)。在抓取的(de)時候，利(li)用(yong)電磁(ci)力控制，達到轉移的(de)目的(de)。

　　目前(qian)ITRI，PlayNitride在這方面做了大量的工作。

　　3.1.3 采用靜電(dian)力

　　Luxvue是蘋果(guo)公司(si)在(zai)2016年收購的(de)(de)(de)(de)(de)創業公司(si)。其采用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)是靜電(dian)(dian)(dian)力的(de)(de)(de)(de)(de)peak-place技術。其具體的(de)(de)(de)(de)(de)實現細(xi)節我沒有查到(dao)，只(zhi)有如(ru)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)兩個專利或許能透(tou)漏出其細(xi)節的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)鱗半爪。希望后面能得(de)到(dao)更多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)節。采用(yong)(yong)(yong)靜電(dian)(dian)(dian)力的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式，一(yi)(yi)般(ban)采用(yong)(yong)(yong)具有雙極(ji)結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)移頭(tou)，在(zai)轉(zhuan)(zhuan)移過程中(zhong)分布施加正負(fu)電(dian)(dian)(dian)壓，當(dang)從(cong)襯底(di)上抓取(qu)LED時，對(dui)一(yi)(yi)硅(gui)電(dian)(dian)(dian)極(ji)通正電(dian)(dian)(dian)，LED就會吸(xi)附到(dao)轉(zhuan)(zhuan)移頭(tou)上，當(dang)需要把LED放到(dao)既定位置時，對(dui)另(ling)外一(yi)(yi)個硅(gui)電(dian)(dian)(dian)極(ji)通負(fu)電(dian)(dian)(dian)，轉(zhuan)(zhuan)移即(ji)可(ke)完成。

　　3.2 自組(zu)裝(zhuang)技術

　　美國一(yi)家新創公司SelfArray展示了其開發的(de)(de)自組裝方(fang)式(shi)(shi)。首先(xian)，其將LED外表包(bao)覆(fu)一(yi)層熱(re)解石墨薄膜，放(fang)置在(zai)磁(ci)(ci)性平臺，在(zai)磁(ci)(ci)場引(yin)導(dao)下(xia)LED將快速排列(lie)到定(ding)位(wei)。采用這種(zhong)方(fang)式(shi)(shi)，應該是先(xian)會處(chu)理磁(ci)(ci)性平臺，讓磁(ci)(ci)性平臺能有設計(ji)好的(de)(de)陣列(lie)分(fen)布，而分(fen)割好的(de)(de)LED器件，在(zai)磁(ci)(ci)場的(de)(de)作用下(xia)能快速實現定(ding)位(wei)，然(ran)后還是會通過像PDMS一(yi)類的(de)(de)中間(jian)介質，轉(zhuan)移到目標基底上去。根據推(tui)測(ce)，這種(zhong)技(ji)術方(fang)式(shi)(shi)的(de)(de)好處(chu)有如下(xia)：

　　避免對(dui)源基板的器件進(jin)行復(fu)雜的結構設計(ji)去(qu)適應巨量轉移(yi)工藝。

　　因為LED會批量切割，因此可以(yi)在轉移前進(jin)行(xing)篩(shai)選，先(xian)去除不合格的LED。

　　采(cai)用(yong)磁性(xing)自(zi)組裝(zhuang)，預計時(shi)間會更加快速(su)。

　　源基(ji)(ji)板不需要(yao)過多考慮目(mu)標基(ji)(ji)板的實際(ji)陣(zhen)列排布(bu)，預期可(ke)以有(you)更大的設計空(kong)間。

　　還(huan)有(you)一(yi)家利(li)用(yong)流(liu)體進行(xing)自(zi)(zi)組(zu)裝(zhuang)裝(zhuang)配(pei)的(de)(de)企業是eLux。eLue于2016年(nian)在美國(guo)成立(li)，eLux與日本的(de)(de)淵源很(hen)深，CEO Jong-Jan Lee與CTO Paul Schuele均(jun)出自(zi)(zi)夏普美國(guo)實驗室(shi)( Laboratories of America)。2017年(nian)富士(shi)康通(tong)過其子公司CyberNet Venture Capital向其注資1000萬(wan)美元(yuan)，2018年(nian)有(you)于群(qun)創光電,AOT和夏普一(yi)起，正式收購eLux的(de)(de)全部(bu)股權(quan)。所(suo)謂流(liu)體自(zi)(zi)組(zu)裝(zhuang)，就是利(li)用(yong)流(liu)體的(de)(de)力量，讓LED落入做好(hao)的(de)(de)特殊結構中(zhong)，達到自(zi)(zi)組(zu)裝(zhuang)的(de)(de)效果。

　　3.3 選擇性釋放技術

　　Uniqarta是一(yi)家(jia)英(ying)國公司，其采用(yong)其成(cheng)為(wei)LEAP(Laser-Enabled Advanced Placement)技術(shu)。通(tong)過(guo)激光束對源基底的快速掃描(miao)，讓其直接脫離源基板(ban)而(er)集成(cheng)到目標基板(ban)上。對于這種技術(shu)的前景，目前仍然需要更多技術(shu)細節的支持。

　　Uniqarta's LEAP技術

　　而Coherent的方案與Uniqarta有些類似，但其也要用(yong)到中介轉移的載(zai)體，不過對(dui)于載(zai)體和(he)源(yuan)基底的分離，其采用(yong)的是(shi)線激光束(shu)。而將(jiang)LED器(qi)件(jian)從載(zai)體轉移到目標基底，則采用(yong)了點激光。

　　3.4 轉印技(ji)術

　　如下為KIMM公司的轉印技(ji)(ji)術技(ji)(ji)術，轉印技(ji)(ji)術通過滾輪將TFT與LED轉移到玻璃基底上面。對(dui)于這(zhe)種技(ji)(ji)術，技(ji)(ji)術難度看起來非(fei)常大(da)，特別是在于如果保證生產良率上面。

　　4 Micro LED其它(ta)需要關注的問題

　　除(chu)了(le)巨量(liang)(liang)轉(zhuan)移(yi)之外(wai)，Micro LED的(de)整(zheng)(zheng)個工(gong)藝(yi)(yi)(yi)鏈(lian)都需要投入大量(liang)(liang)的(de)時間去予以改進和(he)優化。如下圖所示，為(wei)Micro LED產品生產的(de)工(gong)藝(yi)(yi)(yi)鏈(lian)，其中就涉及到：襯底(di)材料和(he)尺寸的(de)選(xuan)擇，外(wai)延工(gong)藝(yi)(yi)(yi)的(de)選(xuan)擇，彩(cai)色實現(xian)的(de)方案，巨量(liang)(liang)轉(zhuan)移(yi)技術的(de)選(xuan)擇，缺陷的(de)檢測和(he)維(wei)修和(he)整(zheng)(zheng)個工(gong)藝(yi)(yi)(yi)鏈(lian)上成本的(de)壓縮(suo)等等。這(zhe)必(bi)將花費業(ye)界(jie)大量(liang)(liang)的(de)時間去持續推進。

02

2023年Micro LED產業進程

　　LEDinside在此(ci)對(dui)今年以(yi)來的Micro LED各類動態(tai)進行了收集整理(li)，回顧Micro LED產業(ye)發展的最(zui)新進程(cheng)。

03

Micro LED的六大核心難關

　　Micro LED 的工藝流程包括襯底制備、外延片與晶圓制備、像素組裝、缺陷監測、全彩化、光提取與成型、像素驅動等7個環節，具體來說其產業鏈包括芯片制造、巨量轉移、面板制造、封裝/模組、應用及相關配套產業。Micro LED 芯片微小化也使得傳統的制造技術不再適用，在芯片制備的各個環節都面臨著全新的技術挑戰 ，成本居高不下(xia)，這也制(zhi)約了 Micro LED 芯(xin)片(pian)當前(qian)的滲(shen)透(tou)率。

　　難點一：微縮芯片及外延

　　目前，半導體芯片的制程已相當成熟，但 Micro LED 支撐技術及相關產業公司仍處于摸索階段。與傳統 LED 產業鏈相比，Micro LED 芯片的微縮化對芯片制造提出了更高的要求，既需要將芯片尺寸微縮至50um以下，同時還需要滿足高 PPI 需求 ，因此在(zai)外延(yan)制備、PL、ITO、光刻、蝕刻、磊晶剝離、電測等環節均面臨精細化工藝、良(liang)率(lv)提升等技(ji)術難關。

　　此外，隨著 LED 芯片尺寸變小，蝕刻過程中側壁缺陷將對內部量子效率 IQE 造成影響，大幅減少芯片傳輸量，導致外部量子效率 EQE 效率減弱 。目前(qian)來(lai)看，反射(she)膜添加劑(ji)引(yin)入光提(ti)前(qian)結構均可實現一定程度的 EQE 提(ti)升(sheng)，但在(zai)小型領(ling)域(yu)應用仍(reng)(reng)屬于工程問題，未來(lai)發展仍(reng)(reng)存在(zai)挑戰(zhan)。

　　難點二：巨量轉移

　　由于 Micro LED 的芯片尺寸小，相較傳統 LED 單位面積下晶粒數量龐大，需要將大量 LED 晶粒準確且高效轉移至電路板上。以3840*2160的4K顯示為例，需轉移晶體數量超過2,000萬，按照常規轉移效率計算，需要幾日甚至幾周才能完成全部的晶粒轉移，晶粒轉移效率及良率控制未達到量產標準，難以形成規模效應，制備成本及產品價格居高不下。

　　巨量(liang)轉(zhuan)移(yi)被認為是實(shi)現(xian) Micro LED 價格大規(gui)模降低、從而(er)實(shi)現(xian)其(qi)商(shang)業(ye)化落地的核(he)心技(ji)術之一。若(ruo)巨量(liang)轉(zhuan)移(yi)技(ji)術取得突(tu)破，將帶(dai)來一個(ge)廣(guang)闊的轉(zhuan)移(yi)設備市(shi)場。

　　針對這一技(ji)術(shu)難(nan)點(dian)，業內的主(zhu)流(liu)解決方案(an)目(mu)前包括(kuo)靜電吸(xi)附、相(xiang)變化轉(zhuan)移(yi)、流(liu)體裝配(pei)、滾(gun)軸轉(zhuan)印、磁力(li)吸(xi)附、范德華(hua)力(li)轉(zhuan)印、激(ji)光轉(zhuan)移(yi)等。激(ji)光轉(zhuan)移(yi)在修復難(nan)度(du)和(he)轉(zhuan)移(yi)效率等維度(du)上(shang)效果更優，未來(lai)有可能成為巨量轉(zhuan)移(yi)的主(zhu)流(liu)技(ji)術(shu)。

　　早在2012年，蘋果、、等行業巨頭相繼布局巨量轉移技術，國內起步較晚，專利方面也主要由外國廠商占據主導地位。 根據(ju) Yole 出具的 Micro LED 顯示專(zhuan)利(li)報(bao)告(gao)，LuxVue 和 X-celeprint 把持著巨大的專(zhuan)利(li)數(shu)量，ITRI(臺(tai)灣工(gong)研院)、CSOT(華(hua)星光電)緊隨其后(hou)，但專(zhuan)利(li)數(shu)量仍(reng)不及 LuxVue 半數(shu)，差(cha)距懸殊。

　　我們持續關(guan)注行業內(nei)企業在巨量(liang)轉移方(fang)(fang)面的最新進展(zhan)(zhan)。以光源服務的合肥欣(xin)奕華為例，合肥欣(xin)奕華致力于提供高(gao)端裝備(bei)、工業機器(qi)人、智(zhi)慧(hui)工廠解決方(fang)(fang)案，掌握多項高(gao)端裝備(bei)核心(xin)技術，填(tian)補(bu)國(guo)內(nei) Micro LED 和 OLED 空白，是推(tui)進中國(guo)智(zhi)能制造(zao)發展(zhan)(zhan)的領軍企業之一。公司(si)自(zi)主研(yan)發的蒸鍍(du)設(she)備(bei)、巨量(liang)轉移設(she)備(bei)在國(guo)產設(she)備(bei)中市占率第(di)一，已在半(ban)導(dao)體、顯示(shi)面板、光伏等賽道擁有超百(bai)家(jia)賽道知名客戶。

　　難點三：全彩化

　　顯(xian)示器的(de)色彩(cai)顯(xian)示需要通過全彩(cai)化技(ji)術來實現，這也是 Micro LED 的(de)核心技(ji)術難點(dian)之一。目前 Micro LED 在(zai)近眼顯(xian)示領域尚無法實現全彩(cai)的(de)高(gao)亮顯(xian)示，在(zai) AR/VR 等對分辨率、色彩(cai)顯(xian)示要求極(ji)高(gao)的(de)應用場景(jing)仍(reng)面臨(lin)巨大挑戰。

　　Micro LED 單(dan)色顯示僅需通過倒裝結構封(feng)裝與驅動(dong) IC 貼合，顯示、制備與工藝(yi)難度相(xiang)(xiang)對(dui)較(jiao)低，而(er)全彩化(hua)方案工藝(yi)復雜度相(xiang)(xiang)對(dui)較(jiao)高，現(xian)有(you)(you)的解決方案有(you)(you) RGB 三色 LED 法(fa)、UV/藍光(guang)LED+發(fa)光(guang)介質法(fa)、透(tou)鏡合成法(fa)，但目(mu)前均(jun)存在(zai)相(xiang)(xiang)應的短板。以 RGB 三色陣列為例(li)，需要(yao)依次轉貼紅、藍、綠晶(jing)粒(li)(li)。同時(shi)，由(you)于嵌入(ru)晶(jing)粒(li)(li)規模超過十萬，對(dui)于晶(jing)粒(li)(li)光(guang)效、波長的一(yi)致(zhi)(zhi)性、良率要(yao)求更高。一(yi)旦(dan)實際輸出電流(liu)與理論(lun)電流(liu)出現(xian)偏(pian)(pian)差(cha)，就會(hui)導致(zhi)(zhi)像素(su)呈現(xian)色彩偏(pian)(pian)差(cha)。

　　在工藝流程和材料方面，UV/藍光LED+發光介質法相較其他方案更為簡單，主要采用藍光 LED 來替換背光板、以量子點膜或熒光粉作為發光介質替代 RGB 濾光片。量子點膜的粒徑介于1-10nm之間，較熒光粉顆粒更小，同時因其高吸光-發光效率、寬吸收頻譜等特性，色彩純度與飽和度更高，是比熒光粉更優的技術方案。 以藍光(guang) LED 替(ti)換背光(guang)板(ban)光(guang)源后，量子(zi)點膜在藍光(guang)激發下可發出(chu)純正的綠(lv)光(guang)和紅光(guang)，完成全彩顯(xian)示。

　　我們認(ren)為(wei)，未來(lai)隨著(zhu)量子點(dian)技術的(de)完善，UV/藍(lan)光LED+發光介質法具備更(geng)大(da)的(de)發展前(qian)景，有望成(cheng)為(wei)全彩化的(de)主(zhu)流(liu)技術，且量子點(dian)在(zai) LCD、OLED 中(zhong)也均(jun)可發揮巨(ju)大(da)作用，建議關注在(zai)量子點(dian)具有深厚技術沉淀的(de)公司(si)。

　　難點四：檢測

　　由于(yu) Micro LED 的(de)(de)(de)(de)芯(xin)片尺寸和間(jian)距極小，傳(chuan)統的(de)(de)(de)(de)測(ce)(ce)試(shi)設備難(nan)以使用，如(ru)何在(zai)百萬(wan)甚至(zhi)千(qian)萬(wan)級(ji)的(de)(de)(de)(de)芯(xin)片中對缺(que)陷(xian)(xian)晶粒進(jin)行(xing)(xing)檢測(ce)(ce)、修復或(huo)替(ti)換是(shi)一個巨(ju)大的(de)(de)(de)(de)挑(tiao)戰(zhan)。現有的(de)(de)(de)(de)解決(jue)方案(an)包括光(guang)致(zhi)發(fa)(fa)光(guang)測(ce)(ce)試(shi)和電(dian)致(zhi)發(fa)(fa)光(guang)測(ce)(ce)試(shi)。光(guang)致(zhi)發(fa)(fa)光(guang)測(ce)(ce)試(shi)主(zhu)要利用光(guang)源激發(fa)(fa)硅片或(huo)太陽(yang)電(dian)池(chi)片，通過對特定波長的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)光(guang)信號進(jin)行(xing)(xing)采集、數據(ju)(ju)處理(li)，從而識別芯(xin)片缺(que)陷(xian)(xian)。電(dian)致(zhi)發(fa)(fa)光(guang)測(ce)(ce)試(shi)則是(shi)指，在(zai)強(qiang)電(dian)場作用下，芯(xin)片中的(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)成為過熱電(dian)子(zi)后，根據(ju)(ju)其(qi)回(hui)到(dao)基態時所發(fa)(fa)出(chu)的(de)(de)(de)(de)光(guang)來檢測(ce)(ce)芯(xin)片缺(que)陷(xian)(xian)。

　　難點五：芯片封裝

　　Micro LED 相較傳統 LED 芯(xin)片間距小，這也導致貼片難度(du)(du)增加(jia)，成(cheng)本也會面臨(lin)指數型增長。現有的解決(jue)方(fang)案以 COB 和 COG 封(feng)裝(zhuang)為主，近來也出現了新型封(feng)裝(zhuang)技(ji)術(shu) MIP，全稱(cheng) Micro LED in Package，即集成(cheng)封(feng)裝(zhuang)。MIP 在(zai)成(cheng)本和效率(lv)上(shang)更(geng)具優勢，它(ta)的基(ji)板(ban)精度(du)(du)高，芯(xin)片無需測(ce)試(shi)篩選，測(ce)試(shi)分選在(zai)封(feng)裝(zhuang)環(huan)節(jie)即可完成(cheng)。此外(wai)，由于點(dian)測(ce)難度(du)(du)從芯(xin)片級(ji)難度(du)(du)轉換(huan)為引腳上(shang)的點(dian)測(ce)，測(ce)試(shi)難度(du)(du)降低，并且可采(cai)用巨(ju)量(liang)轉移(yi)技(ji)術(shu)，具備較大發展前景。

　　難點六：基板制造

　　作為傳(chuan)統顯示領域(yu)的固(gu)定(ding)鏈條，基板(ban)材(cai)料(liao)一直處于(yu)穩定(ding)地位，常(chang)見的材(cai)料(liao)包括 PCB、玻璃基板(ban)。Micro LED 入局可(ke)以促成(cheng)對現(xian)有產能(neng)的消(xiao)化，不(bu)過(guo)這也需(xu)要基板(ban)廠商為巨(ju)量(liang)轉移技術做(zuo)好(hao)承接。Micro LED 更容易在(zai)平(ping)整(zheng)的玻璃基板(ban)上實現(xian)巨(ju)量(liang)轉移，玻璃基板(ban)發展潛力更大(da)。

　　5 總結

　　Micro LED作為一種(zhong)新興的顯(xian)示技(ji)術(shu)，目前(qian)在業界(jie)得到了(le)廣(guang)泛的關注。由于其采用無機LED發光，所(suo)(suo)以較LCD，OLED等(deng)技(ji)術(shu)有(you)獨特的優勢。但是(shi)，目前(qian)Micro LED收到一些瓶頸技(ji)術(shu)的限制，特別是(shi)巨量轉(zhuan)移工藝上，即使業界(jie)能(neng)夠在有(you)所(suo)(suo)突破，但要真正(zheng)提高良率，降低成本，也(ye)需要花(hua)費時日(ri)。并且，整(zheng)個工藝鏈的完善(shan)也(ye)非朝日(ri)之功，因(yin)此，Micro LED要大規模(mo)量產(chan)并替(ti)代現有(you)產(chan)品(pin)，應該還需要時間。