一. 現(xiàn)狀

　　關(guān)于Micro LED，LG在美國拉斯維加斯的"CES 2019"上展示其全球第一款A(yù)M Micro LED。

　　在此前的的“CES 2018"中，三星已經(jīng)推出其Micro LED電視”THE WALL"，如下圖所示，這款產(chǎn)品的尺寸是146″。

三星 THE WALL

　　在更早的“CES 2017”上，索尼就推出了以144片Micro LED拼接而成的CLEDIS 顯示器。但無論是這里說到的三星還是索尼的產(chǎn)品，其采用的都是PM(Passive Matrix)技術(shù)，其背板技術(shù)無論是在其本身工藝上還是在“巨量轉(zhuǎn)移”上，難度較LG推出的AM(Active Matrix)技術(shù)小不少。

索尼 CLEDIS

　　那么，Micro LED的產(chǎn)品是不是馬上就會走進我們的生活中呢?這里讓我們來談一談這個技術(shù)。

　　二. 什么是Micro LED

　　Micro LED技術(shù)，即LED微縮化和矩陣化技術(shù)。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顯示屏每一個像素可定址、單獨驅(qū)動點亮，可看成是戶外LED顯示屏的微縮版，將像素點距離從毫米級降低至微米級。

　　而Micro LED display，則是底層用正常的CMOS集成電路制造工藝制成LED顯示驅(qū)動電路，然后再用MOCVD機在集成電路上制作LED陣列，從而實現(xiàn)了微型顯示屏，也就是所說的LED顯示屏的縮小版。

　　Micro LED的像素單元在100微米(P0.1)以下，并被高密度地集成在一個芯片上。微縮化使得Micro LED具有更高的發(fā)光亮度、分辨率與色彩飽和度，以及更快的顯示響應(yīng)速度，預(yù)期能夠應(yīng)用于對亮度要求較高的增強現(xiàn)實(AR)微型投影裝置、車用平視顯示器(HUD)投影應(yīng)用、超大型顯示廣告牌等特殊顯示應(yīng)用產(chǎn)品，并有望擴展到可穿戴/可植入器件、虛擬現(xiàn)實(VR)、光通訊/光互聯(lián)、醫(yī)療探測、智能車燈、空間成像等多個領(lǐng)域。

　　顧名思義，Micro LED就是“微”LED，作為一種新顯示技術(shù)，與其它顯示技術(shù)，比如LCD，OLED，PDP，其核心的不同之處在于其采用無機LED作為發(fā)光像素。對于“Micro”這個概念，到底定義是多少呢?像素尺寸一般要到100μm以下。

　　LED并不是一個新事物，作為發(fā)光二極管，其在顯示上的應(yīng)用本應(yīng)該是順理成章的事情。但是很長一段時間，除了戶外廣告屏上的應(yīng)用之外，LED顯示應(yīng)用一直不能發(fā)展起來，其原因是：a.要做到手機屏/電視這種級別的顯示器，LED像素在尺寸上難以做小;b. LED外延晶片與顯示驅(qū)動工藝不兼容，且需考慮大尺寸顯示的問題，所以針對MicroLED需要開放合適的背板技術(shù)。c. 如何將“巨量”的三色微小LED轉(zhuǎn)移到制作好驅(qū)動電路的基底上去，即“巨量轉(zhuǎn)移”技術(shù)，也是決定Micro LED能否商業(yè)的關(guān)鍵。

　　由于像素單元低至微米量級，Micro LED顯示產(chǎn)品具有多項性能指標優(yōu)勢。Micro LED功率消耗量僅為LCD的10%、OLED的50%，其亮度可達OLED的10倍，分辨率可達OLED的5倍。

　　在設(shè)備兼容性方面，Micro LED有望承接液晶顯示高度成熟的電流驅(qū)動TFT技術(shù)，在未來顯示技術(shù)演進進程中具有一定優(yōu)勢。根據(jù)LEDinside預(yù)估，2022年MicroLED顯示的市場銷售額將達到6.94億美元，略高于Mini LED顯示。Micro LED與LCD、OLED和量子點LED(QLED)顯示的性能比較如下表所示：

　　1 Micro LED 顯示原理

　　系將LED結(jié)構(gòu)設(shè)計進行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1~10μm等級左右;后將μLED批量式轉(zhuǎn)移至電路基板上(含下電極與晶體管)，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層與上電極，即可進行上基板的封裝，完成一結(jié)構(gòu)簡單的Micro LED Display。

圖片來源：DJ理財網(wǎng)

　　2 Micro LED典型結(jié)構(gòu)

　　PN接面二極管，由直接能隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成。當上下電極施加一順向偏壓于μLED，致使電流通過時，電子、電洞對于主動區(qū)(Active region) 復(fù)合，而發(fā)射出單一色光。μLED發(fā)光頻譜其主波長的半高全寬FWHM僅約20nm，可提供極高的色飽和度，通?？纱笥?20%NTSC。

　　且自2008年后LED光電轉(zhuǎn)換效率大幅提高，100 lm/W以上的LED已成量產(chǎn)之標準。而在Micro LED Display的應(yīng)用上，為自發(fā)光的顯示特性，輔以幾乎無光耗元件的簡易結(jié)構(gòu)，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(shè)計。即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、平板等設(shè)備，有8成以上的能耗在于顯示器上，低能耗的顯示器技術(shù)可提供更長的電池續(xù)航力;一是環(huán)境光較強(例：戶外、半戶外)致使顯示器上的影像泛白、辨識度變差的問題，高亮度的顯示技術(shù)可使其應(yīng)用的范疇更加寬廣。

　　3 Micro 顯示原理

　　像素結(jié)構(gòu)

　　Micro LED顯示一般采用成熟的多量子阱LED芯片技術(shù)。以典型的InGaN基LED芯片為例，Micro LED像素單元結(jié)構(gòu)從下往上依次為藍寶石襯底層、25nm的GaN緩沖層、3μm的N型GaN層、包含多周期量子阱(MQW)的有源層、0.25μm的P型GaN接觸層、電流擴展層和P型電極。像素單元加正向偏電壓時，P型GaN接觸層的空穴和N型GaN層的電子均向有源層遷移，在有源層電子和空穴發(fā)生電荷復(fù)合，復(fù)合后能量以發(fā)光形式釋放。

　　與傳統(tǒng)LED顯示屏相比，MicroLED具有兩大特征，一是微縮化，其像素大小和像素間距從毫米級降低至微米級;二是矩陣化和集成化，其器件結(jié)構(gòu)包括CMOS工藝制備的LED顯示驅(qū)動電路和LED矩陣陣列。

　　陣列驅(qū)動

　　InGaN基Micro LED的像素單元一般通過以下四個步驟制備。第一步通過ICP刻蝕工藝，刻蝕溝槽至藍寶石層，在外延片上隔離出分離的長條形GaN平臺。第二步在GaN平臺上，通過ICP刻蝕，確立每個特定尺寸的像素單元。第三步通過剝離工藝，在P型GaN接觸層上制作Ni/Au電流擴展層。第四步通過熱沉積，在N型GaN層和P型GaN接觸層上制作Ti/Au歐姆接觸電極。其中，每一列像素的陰極通過N型GaN層共陰極連接，每一行像素的陽極則有不同的驅(qū)動連接方式，其驅(qū)動方式主要包括被動選址驅(qū)動(PassiveMatrix，簡稱PM，又稱無源尋址驅(qū)動)、主動選址驅(qū)動(ActiveMatrix，簡稱AM，又稱有源尋址驅(qū)動)和半主動選址驅(qū)動三種方式。

　　其中，被動選址驅(qū)動是把像素電極做成矩陣型結(jié)構(gòu)，每一列(行)像素的陽(陰)極共用一個列(行)掃描線，兩層電極之間通過沉積層進行電學隔離，以同時選通第X行和第Y列掃描線的方式來點亮位于第X行和第Y列的LED像素，高速逐點(或逐行)掃描各個像素來實現(xiàn)整個屏幕畫面顯示的模式。

　　主動選址驅(qū)動模式下，每個 Micro LED 像素有其對應(yīng)的獨立驅(qū)動電路，驅(qū)動電流由驅(qū)動晶體管提供?；镜闹鲃泳仃囼?qū)動電路為雙晶體管單電容電路。每個像素電路中，選通晶體管用來控制像素電路開關(guān)，驅(qū)動晶體管與電源連通為像素提供穩(wěn)定電流，存儲電容用來儲存數(shù)據(jù)信號。為了提高灰階等顯示能力，可以采用四晶體管雙電容電路等復(fù)雜的主動矩陣驅(qū)動電路。

　　半主動選址驅(qū)動方式采用單晶體管作為 Micro LED 像素的驅(qū)動電路，從而可以較好地避免像素之間的串擾現(xiàn)象。半主動驅(qū)動由于每列驅(qū)動電流信號需要單獨調(diào)制，性能介于主動驅(qū)動和被動驅(qū)動之間。

　　4 芯片制備

　　與LED顯示相同，Micro LED芯片一般采用刻蝕和外延生長(Epitaxy，又稱磊晶)的方式制備。芯片制作流程主要包括以下幾步：

　　襯底制備，用有機溶劑和酸液清洗藍寶石襯底后，采用干法刻蝕制備出圖形化藍寶石襯底。

　　中間層制備，利用MOCVD進行氣相外延，在高溫條件下分別進行GaN緩沖層、N型GaN層、多層量子阱、P型GaN層生長制備。

　　臺階刻蝕，在外延片表面形成圖形化光刻膠，之后利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)工藝刻蝕到N型GaN層。

　　導(dǎo)電層制備，在樣品表面濺射氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電層，光刻形成圖形化ITO導(dǎo)電層。五是絕緣層制備，利用等離子體增強化學的氣相沉積法(PECVD)沉積形成SiO2絕緣層，之后經(jīng)光刻和濕法刻蝕。

　　電極制備，采用剝離法等方法制備出圖形化光刻膠，電子束蒸發(fā)Au后利用高壓剝離機對光刻膠進行剝離。

圖片來源：DJ理財網(wǎng)

　　5 Micro LED背板

　　從應(yīng)用來看，大尺寸顯示器顯示屏因顯示面積大以至于畫素間距也較大，在背板的選用上會有PCB與Glass的選擇。中型尺寸的車用顯示器則不使用線寬線距較大的PCB，而以線寬線距極限略小于PCB 的Glass以及FPC為主。小尺寸的手機與手表以適合中小型顯示需求的玻璃與FPC的背板為主。

　　在微投影與顯示的擴增實境/虛擬實境的背板顯示需求將會微縮至30μm等級以下，因此將會以可微縮線寬線距半導(dǎo)體制程的 Si CMOS 背板為主，并背搭配眼鏡需透光的需求也會有光學式FPC的應(yīng)用需求。

　　從基板材質(zhì)看，MicroLED芯片和背板的鍵合的基材主要有PCB、玻璃和硅基。根據(jù)線寬、線距極限的不同，可以搭配不同的背板基材。其中，PCB 基板的應(yīng)用最為成熟。

　　另外CMOS工藝，其采用鍵合金屬實現(xiàn)LED陣列與硅基CMOS驅(qū)動背板的電學與物理連接。制作過程中，首先在CMOS驅(qū)動背板中通過噴濺工藝熱沉積和剝離工藝等形成功能層，再通過倒裝焊設(shè)備即可實現(xiàn)LED微顯示陣列與驅(qū)動背板的對接。

圖片來源：賽迪智庫

　　三. Micro LED瓶頸——“巨量轉(zhuǎn)移”技術(shù)（Mass Transfer）

　　如上面所講，制作好的微小的LED需要轉(zhuǎn)移到做好驅(qū)動電路的基底上。想想看，無論是TV還是手機屏，其像素的數(shù)量都是相當巨大的，而像素的尺寸又是那么小，并且顯示產(chǎn)品對于像素錯誤的容忍度也是很低的，沒有人愿意去購買一塊有“亮點”或“暗點”的顯示屏，所以將這些小像素完美地轉(zhuǎn)移到做好驅(qū)動電路的襯底上并實現(xiàn)電路連接是多么困難復(fù)雜的技術(shù)。實際上，“巨量轉(zhuǎn)移”確實是目前Micro LED商業(yè)化上面的一大瓶頸技術(shù)。其轉(zhuǎn)移的效率，成功率都決定著商業(yè)化的成功與否。

　　巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)（Mass Transfer）

　　目前看來，“巨量轉(zhuǎn)移”都還是一個“量產(chǎn)前”技術(shù)，為了實現(xiàn)“巨量轉(zhuǎn)移”的目標，市面上一些相當不一樣的技術(shù)?，F(xiàn)在總結(jié)如下：

　　如上圖所示，目前根據(jù)已有的資料調(diào)查顯示，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)按照原理的不一樣，主要分為四個流派：精準抓取，自組裝，選擇性釋放和轉(zhuǎn)印技術(shù)。

　　但是即使是屬于同一個技術(shù)流派，實現(xiàn)的方式也是很有差別，因此很難給出一個精準的劃分。如下列出在巨量轉(zhuǎn)移上開展開發(fā)的一些廠商：

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

　　3.1 Pick&Place技術(shù)

　　3.1.1 采用范德華力

　　如下為X-Celeprint的Elastomer Stamp技術(shù)，這屬于pick&place陣營的范德華力派。其采用高精度控制的打印頭，進行彈性印模，利用范德華力讓LED黏附在轉(zhuǎn)移頭上，然后放置到目標襯底片上去。目前采用的彈性體(Elastomer)一般是PDMS。X-Celeprint也稱其技術(shù)為Micro-Transfer_Printing(μTP)技術(shù)。

　　要實現(xiàn)這個過程，對于source基板的處理相當關(guān)鍵，要讓制備好的LED器件能順利地被彈性體材料(Elastomer)吸附并脫離源基底，先需要通過處理LED器件下面呈現(xiàn)“鏤空”的狀態(tài)，器件只通過錨點(Anchor)和斷裂鏈(Techer)固定在基底上面。當噴涂彈性體后，彈性體會與器件通過范德華力結(jié)合，然后將彈性體和基底分離，器件的斷裂鏈發(fā)生斷裂，所有的器件則按照原來的陣列排布，被轉(zhuǎn)移到彈性體上面。制作好“鏤空”，“錨點”和“斷裂點”的基底見下圖所示。

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

　　X-Celeprint在其發(fā)表在“2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference”上面的論文，展示了一些源基板制作的一些概念。如下圖所示，通過對器件底部的一些處理，然后通過刻蝕的方法，可以制作成時候這種轉(zhuǎn)移方式的器件結(jié)構(gòu)。但是詳細的工藝，仍然還有待確認。

　　如下為X-Celeprint公司展示的實例。

　　3.1.2 采用磁力

　　利用磁力的原理，是在LED器件中混入鐵鈷鎳等材料，使其帶上磁性。在抓取的時候，利用電磁力控制，達到轉(zhuǎn)移的目的。

　　目前ITRI，PlayNitride在這方面做了大量的工作。

　　3.1.3 采用靜電力

　　Luxvue是蘋果公司在2016年收購的創(chuàng)業(yè)公司。其采用的是靜電力的peak-place技術(shù)。其具體的實現(xiàn)細節(jié)我沒有查到，只有如下的兩個專利或許能透漏出其細節(jié)的一鱗半爪。希望后面能得到更多的細節(jié)。采用靜電力的方式，一般采用具有雙極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移頭，在轉(zhuǎn)移過程中分布施加正負電壓，當從襯底上抓取LED時，對一硅電極通正電，LED就會吸附到轉(zhuǎn)移頭上，當需要把LED放到既定位置時，對另外一個硅電極通負電，轉(zhuǎn)移即可完成。

　　3.2 自組裝技術(shù)

　　美國一家新創(chuàng)公司SelfArray展示了其開發(fā)的自組裝方式。首先，其將LED外表包覆一層熱解石墨薄膜，放置在磁性平臺，在磁場引導(dǎo)下LED將快速排列到定位。采用這種方式，應(yīng)該是先會處理磁性平臺，讓磁性平臺能有設(shè)計好的陣列分布，而分割好的LED器件，在磁場的作用下能快速實現(xiàn)定位，然后還是會通過像PDMS一類的中間介質(zhì)，轉(zhuǎn)移到目標基底上去。根據(jù)推測，這種技術(shù)方式的好處有如下：

　　避免對源基板的器件進行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計去適應(yīng)巨量轉(zhuǎn)移工藝。

　　因為LED會批量切割，因此可以在轉(zhuǎn)移前進行篩選，先去除不合格的LED。

　　采用磁性自組裝，預(yù)計時間會更加快速。

　　源基板不需要過多考慮目標基板的實際陣列排布，預(yù)期可以有更大的設(shè)計空間。

　　Selfarray的官方有視頻，大家可以自己去看一下：http://selfarray.com/

　　還有一家利用流體進行自組裝裝配的企業(yè)是eLux。eLue于2016年在美國成立，eLux與日本夏普的淵源很深，CEO Jong-Jan Lee與CTO Paul Schuele均出自夏普美國實驗室(Sharp Laboratories of America)。2017年富士康通過其子公司CyberNet Venture Capital向其注資1000萬美元，2018年有于群創(chuàng)光電,AOT和夏普一起，正式收購eLux的全部股權(quán)。所謂流體自組裝，就是利用流體的力量，讓LED落入做好的特殊結(jié)構(gòu)中，達到自組裝的效果。

　　3.3 選擇性釋放技術(shù)

　　Uniqarta是一家英國公司，其采用其成為LEAP(Laser-Enabled Advanced Placement)技術(shù)。通過激光束對源基底的快速掃描，讓其直接脫離源基板而集成到目標基板上。對于這種技術(shù)的前景，目前仍然需要更多技術(shù)細節(jié)的支持。

Uniqarta's LEAP技術(shù)

　　而Coherent的方案與Uniqarta有些類似，但其也要用到中介轉(zhuǎn)移的載體，不過對于載體和源基底的分離，其采用的是線激光束。而將LED器件從載體轉(zhuǎn)移到目標基底，則采用了點激光。

　　3.4 轉(zhuǎn)印技術(shù)

　　如下為KIMM公司的轉(zhuǎn)印技術(shù)技術(shù)，轉(zhuǎn)印技術(shù)通過滾輪將TFT與LED轉(zhuǎn)移到玻璃基底上面。對于這種技術(shù)，技術(shù)難度看起來非常大，特別是在于如果保證生產(chǎn)良率上面。

　　4 Micro LED其它需要關(guān)注的問題

　　除了巨量轉(zhuǎn)移之外，Micro LED的整個工藝鏈都需要投入大量的時間去予以改進和優(yōu)化。如下圖所示，為Micro LED產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝鏈，其中就涉及到：襯底材料和尺寸的選擇，外延工藝的選擇，彩色實現(xiàn)的方案，巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)的選擇，缺陷的檢測和維修和整個工藝鏈上成本的壓縮等等。這必將花費業(yè)界大量的時間去持續(xù)推進。

　　5 總結(jié)

　　Micro LED作為一種新興的顯示技術(shù)，目前在業(yè)界得到了廣泛的關(guān)注。由于其采用無機LED發(fā)光，所以較LCD，OLED等技術(shù)有獨特的優(yōu)勢。但是，目前Micro LED收到一些瓶頸技術(shù)的限制，特別是巨量轉(zhuǎn)移工藝上，即使業(yè)界能夠在有所突破，但要真正提高良率，降低成本，也需要花費時日。并且，整個工藝鏈的完善也非朝日之功，因此，Micro LED要大規(guī)模量產(chǎn)并替代現(xiàn)有產(chǎn)品，應(yīng)該還需要時間。