一文了解Micro LED及關(guān)鍵組成架構

　　一. 現狀

　　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AM 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(wú)論是這里說(shuō)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(wú)論是在其本身工藝上還是在“巨量轉移”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(huì )走進(jìn)我們的生活中呢?這里讓我們來(lái)談一談這個(gè)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(gè)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(gè)像素可定址、單獨驅動(dòng)點(diǎn)亮，可看成是戶(hù)外LED顯示屏的微縮版，將像素點(diǎn)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顯示驅動(dòng)電路，然后再用MOCVD機在集成電路上制作LED陣列，從而實(shí)現了微型顯示屏，也就是所說(shuō)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(gè)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速度，預期能夠應用于對亮度要求較高的增強現實(shí)(AR)微型投影裝置、車(chē)用平視顯示器(HUD)投影應用、超大型顯示廣告牌等特殊顯示應用產(chǎn)品，并有望擴展到可穿戴/可植入器件、虛擬現實(shí)(VR)、光通訊/光互聯(lián)、醫療探測、智能車(chē)燈、空間成像等多個(gè)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(wú)機LED作為發(fā)光像素。對于“Micro”這個(gè)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(gè)新事物，作為發(fā)光二極管，其在顯示上的應用本應該是順理成章的事情。但是很長(cháng)一段時(shí)間，除了戶(hù)外廣告屏上的應用之外，LED顯示應用一直不能發(fā)展起來(lái)，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外延晶片與顯示驅動(dòng)工藝不兼容，且需考慮大尺寸顯示的問(wèn)題，所以針對MicroLED需要開(kāi)放合適的背板技術(shù)。c. 如何將“巨量”的三色微小LED轉移到制作好驅動(dòng)電路的基底上去，即“巨量轉移”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?jì)H為L(cháng)CD的10%、OLED的50%，其亮度可達OLED的10倍，分辨率可達OLED的5倍。

　　在設備兼容性方面，Micro LED有望承接液晶顯示高度成熟的電流驅動(dòng)TFT技術(shù)，在未來(lái)顯示技術(shù)演進(jìn)進(jìn)程中具有一定優(yōu)勢。根據LEDinside預估，2022年MicroLED顯示的市場(chǎng)銷(xiāo)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(diǎn)LED(QLED)顯示的性能比較如下表所示：

　　1 Micro LED 顯示原理

　　系將LED結構設計進(jìn)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(jìn)行上基板的封裝，完成一結構簡(jiǎn)單的Micro LED Display。

圖片來(lái)源：DJ理財網(wǎng)

　　2 Micro LED典型結構

　　PN接面二極管，由直接能隙半導體材料構成。當上下電極施加一順向偏壓于μLED，致使電流通過(guò)時(shí)，電子、電洞對于主動(dòng)區(Active region) 復合，而發(fā)射出單一色光。μLED發(fā)光頻譜其主波長(cháng)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的應用上，為自發(fā)光的顯示特性，輔以幾乎無(wú)光耗元件的簡(jiǎn)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(wèn)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(shù)可提供更長(cháng)的電池續航力;一是環(huán)境光較強(例：戶(hù)外、半戶(hù)外)致使顯示器上的影像泛白、辨識度變差的問(wèn)題，高亮度的顯示技術(shù)可使其應用的范疇更加寬廣。

　　3 Micro 顯示原理

　　像素結構

　　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像素單元結構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(shí)，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)生電荷復合，復合后能量以發(fā)光形式釋放。

　　與傳統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，其器件結構包括CMOS工藝制備的LED顯示驅動(dòng)電路和LED矩陣陣列。

　　陣列驅動(dòng)

　　InGaN基Micro LED的像素單元一般通過(guò)以下四個(gè)步驟制備。第一步通過(guò)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(cháng)條形GaN平臺。第二步在GaN平臺上，通過(guò)ICP刻蝕，確立每個(gè)特定尺寸的像素單元。第三步通過(guò)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(guò)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(guò)N型GaN層共陰極連接，每一行像素的陽(yáng)極則有不同的驅動(dòng)連接方式，其驅動(dòng)方式主要包括被動(dòng)選址驅動(dòng)(PassiveMatrix，簡(jiǎn)稱(chēng)PM，又稱(chēng)無(wú)源尋址驅動(dòng))、主動(dòng)選址驅動(dòng)(ActiveMatrix，簡(jiǎn)稱(chēng)AM，又稱(chēng)有源尋址驅動(dòng))和半主動(dòng)選址驅動(dòng)三種方式。

　　其中，被動(dòng)選址驅動(dòng)是把像素電極做成矩陣型結構，每一列(行)像素的陽(yáng)(陰)極共用一個(gè)列(行)掃描線(xiàn)，兩層電極之間通過(guò)沉積層進(jìn)行電學(xué)隔離，以同時(shí)選通第X行和第Y列掃描線(xiàn)的方式來(lái)點(diǎn)亮位于第X行和第Y列的LED像素，高速逐點(diǎn)(或逐行)掃描各個(gè)像素來(lái)實(shí)現整個(gè)屏幕畫(huà)面顯示的模式。

　　主動(dòng)選址驅動(dòng)模式下，每個(gè) Micro LED 像素有其對應的獨立驅動(dòng)電路，驅動(dòng)電流由驅動(dòng)晶體管提供?；镜闹鲃?dòng)矩陣驅動(dòng)電路為雙晶體管單電容電路。每個(gè)像素電路中，選通晶體管用來(lái)控制像素電路開(kāi)關(guān)，驅動(dòng)晶體管與電源連通為像素提供穩定電流，存儲電容用來(lái)儲存數據信號。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雜的主動(dòng)矩陣驅動(dòng)電路。

　　半主動(dòng)選址驅動(dòng)方式采用單晶體管作為 Micro LED 像素的驅動(dòng)電路，從而可以較好地避免像素之間的串擾現象。半主動(dòng)驅動(dòng)由于每列驅動(dòng)電流信號需要單獨調制，性能介于主動(dòng)驅動(dòng)和被動(dòng)驅動(dòng)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(cháng)(Epitaxy，又稱(chēng)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(jìn)行氣相外延，在高溫條件下分別進(jìn)行GaN緩沖層、N型GaN層、多層量子阱、P型GaN層生長(cháng)制備。

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

　　導電層制備，在樣品表面濺射氧化銦錫(ITO)導電層，光刻形成圖形化ITO導電層。五是絕緣層制備，利用等離子體增強化學(xué)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(jìn)行剝離。

圖片來(lái)源：DJ理財網(wǎng)

　　5 Micro LED背板

　　從應用來(lái)看，大尺寸顯示器顯示屏因顯示面積大以至于畫(huà)素間距也較大，在背板的選用上會(huì )有PCB與Glass的選擇。中型尺寸的車(chē)用顯示器則不使用線(xiàn)寬線(xiàn)距較大的PCB，而以線(xiàn)寬線(xiàn)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(shí)境/虛擬實(shí)境的背板顯示需求將會(huì )微縮至30μm等級以下，因此將會(huì )以可微縮線(xiàn)寬線(xiàn)距半導體制程的 Si CMOS 背板為主，并背搭配眼鏡需透光的需求也會(huì )有光學(xué)式FPC的應用需求。

　　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。根據線(xiàn)寬、線(xiàn)距極限的不同，可以搭配不同的背板基材。其中，PCB 基板的應用最為成熟。

　　另外CMOS工藝，其采用鍵合金屬實(shí)現LED陣列與硅基CMOS驅動(dòng)背板的電學(xué)與物理連接。制作過(guò)程中，首先在CMOS驅動(dòng)背板中通過(guò)噴濺工藝熱沉積和剝離工藝等形成功能層，再通過(guò)倒裝焊設備即可實(shí)現LED微顯示陣列與驅動(dòng)背板的對接。

圖片來(lái)源：賽迪智庫

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

　　如上面所講，制作好的微小的LED需要轉移到做好驅動(dòng)電路的基底上。想想看，無(wú)論是TV還是手機屏，其像素的數量都是相當巨大的，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(méi)有人愿意去購買(mǎi)一塊有“亮點(diǎn)”或“暗點(diǎn)”的顯示屏，所以將這些小像素完美地轉移到做好驅動(dòng)電路的襯底上并實(shí)現電路連接是多么困難復雜的技術(shù)。實(shí)際上，“巨量轉移”確實(shí)是目前Micro LED商業(yè)化上面的一大瓶頸技術(shù)。其轉移的效率，成功率都決定著(zhù)商業(yè)化的成功與否。

　　巨量轉移技術(shù)（Mass Transfer）

　　目前看來(lái)，“巨量轉移”都還是一個(gè)“量產(chǎn)前”技術(shù)，為了實(shí)現“巨量轉移”的目標，市面上一些相當不一樣的技術(shù)?，F在總結如下：

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

　　但是即使是屬于同一個(gè)技術(shù)流派，實(shí)現的方式也是很有差別，因此很難給出一個(gè)精準的劃分。如下列出在巨量轉移上開(kāi)展開(kāi)發(fā)的一些廠(chǎng)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(yíng)的范德華力派。其采用高精度控制的打印頭，進(jìn)行彈性印模，利用范德華力讓LED黏附在轉移頭上，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(chēng)其技術(shù)為Micro-Transfer_Printing(μTP)技術(shù)。

　　要實(shí)現這個(gè)過(guò)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(guò)處理LED器件下面呈現“鏤空”的狀態(tài)，器件只通過(guò)錨點(diǎn)(Anchor)和斷裂鏈(Techer)固定在基底上面。當噴涂彈性體后，彈性體會(huì )與器件通過(guò)范德華力結合，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(lái)的陣列排布，被轉移到彈性體上面。制作好“鏤空”，“錨點(diǎn)”和“斷裂點(diǎn)”的基底見(jiàn)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(guò)對器件底部的一些處理，然后通過(guò)刻蝕的方法，可以制作成時(shí)候這種轉移方式的器件結構。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(shí)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(shí)候，利用電磁力控制，達到轉移的目的。

　　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(píng)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(shí)現細節我沒(méi)有查到，只有如下的兩個(gè)專(zhuān)利或許能透漏出其細節的一鱗半爪。希望后面能得到更多的細節。采用靜電力的方式，一般采用具有雙極結構的轉移頭，在轉移過(guò)程中分布施加正負電壓，當從襯底上抓取LED時(shí)，對一硅電極通正電，LED就會(huì )吸附到轉移頭上，當需要把LED放到既定位置時(shí)，對另外一個(gè)硅電極通負電，轉移即可完成。

　　3.2 自組裝技術(shù)

　　美國一家新創(chuàng )公司SelfArray展示了其開(kāi)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(chǎng)引導下LED將快速排列到定位。采用這種方式，應該是先會(huì )處理磁性平臺，讓磁性平臺能有設計好的陣列分布，而分割好的LED器件，在磁場(chǎng)的作用下能快速實(shí)現定位，然后還是會(huì )通過(guò)像PDMS一類(lèi)的中間介質(zhì)，轉移到目標基底上去。根據推測，這種技術(shù)方式的好處有如下：

　　避免對源基板的器件進(jìn)行復雜的結構設計去適應巨量轉移工藝。

　　因為L(cháng)ED會(huì )批量切割，因此可以在轉移前進(jìn)行篩選，先去除不合格的LED。

　　采用磁性自組裝，預計時(shí)間會(huì )更加快速。

　　源基板不需要過(guò)多考慮目標基板的實(shí)際陣列排布，預期可以有更大的設計空間。

　　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(jìn)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(shí)驗室(Sharp Laboratories of America)。2017年富士康通過(guò)其子公司CyberNet Venture Capital向其注資1000萬(wàn)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。所謂流體自組裝，就是利用流體的力量，讓LED落入做好的特殊結構中，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L(cháng)EAP(Laser-Enabled Advanced Placement)技術(shù)。通過(guò)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)細節的支持。

Uniqarta's LEAP技術(shù)

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

　　3.4 轉印技術(shù)

　　如下為KIMM公司的轉印技術(shù)技術(shù)，轉印技術(shù)通過(guò)滾輪將TFT與LED轉移到玻璃基底上面。對于這種技術(shù)，技術(shù)難度看起來(lái)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(wèn)題

　　除了巨量轉移之外，Micro LED的整個(gè)工藝鏈都需要投入大量的時(shí)間去予以改進(jìn)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(shí)現的方案，巨量轉移技術(shù)的選擇，缺陷的檢測和維修和整個(gè)工藝鏈上成本的壓縮等等。這必將花費業(yè)界大量的時(shí)間去持續推進(jìn)。

　　5 總結

　　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(wú)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(shí)日。并且，整個(gè)工藝鏈的完善也非朝日之功，因此，Micro LED要大規模量產(chǎn)并替代現有產(chǎn)品，應該還需要時(shí)間。