【干货】解析Micro-LED

Micro LED是近期市场关注的题材，三星在CES2018展出了世界首台146英寸模块化Micro LED电视，LG Display紧跟着就公开宣布正在开发Micro LED。据市调单位TrendForce LED研究认为，相关厂商正在努力克服Micro LED的高制造成本，推动Micro LED发展。 若以全面取代现有液晶显示器的零组件的规模来推估，包括背光模块、液晶、偏光板等，Micro LED未来的潜在市场规模约可达300至400亿美元。

为了更全面的了解micro LED市场与技术的发展，对micro LED的历史、现状、原理、制程、优势、劣势等方面做了全面梳理。供大家学习指正。

Micro-LED是什么?

Micro LED技术，即LED微缩化和矩阵化技术。指的是在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列，如LED显示屏每一个像素可定址、单独驱动点亮，可看成是户外LED显示屏的微缩版，将像素点距离从毫米级降低至微米级。

而Micro LED display，则是底层用正常的CMOS集成电路制造工艺制成LED显示驱动电路，然后再用MOCVD机在集成电路上制作LED阵列，从而实现了微型显示屏，也就是所说的LED显示屏的缩小版。

历史

说起Micro LED，先得从显示TFT-LCD背光模组应用说起。在1990年代TFT-LCD开始蓬勃发展时，因LED具有高色彩饱和度、省电、轻薄等特点，部分厂商就利用LED做背光源。然因成本过高、散热不佳、光电效率低等因素，并未大量应用于TFT-LCD产品中。

直到2000年，蓝光LED芯片刺激荧光粉制成白光LED技术的制程、效能、成本开始逐渐成熟；当进入2008年，白光LED背光模组呈现爆发性的成长，几年间几乎全面取代了CCFL，其应用领域由手机、平板电脑、笔电、台式显示器乃至电视等等。

然而，因TFT-LCD非自发光的显示原理所致，其open cell穿透率约在7%以下，造成TFT-LCD的光电效率低落；且白光LED所能提供的色饱和度仍不如三原色LED，大部分TFT-LCD产品约仅72%NTSC；再则，于室外环境下，TFT-LCD亮度无法提升至1000nits以上，致使影像和色彩辨识度低，为其一大应用缺陷。故另一种直接利用三原色LED做为自发光显示点画素的LED Display或Micro LED Display的技术也正在发展中。

现状

说起micro LED的发展现状，正如Nouvoyance现任CEO也是三星OLED面板中P排列像素创始人CandiceBrown-Elliott所说，在苹果收购LuxVue之前只有很少人知道和从事该领域，而现在已经有很多人开始讨论这项技术。

而两位Micro-LED技术的专家在去年也曾表示，该技术水平还很难应用生产各种实用的屏幕面板，近期不大可能在iPhone、iPad或者iMac产品中看到这项屏幕技术。但对于较小的显示屏，Micro-LED仍是一个可行的选择，像Apple Watch等小型屏的应用。

其实自LuxVue被苹果收入之后，有看到VerLASE公司宣布获取突破性的色彩转换技术专利，这种技术能够让全彩MicroLED阵列适用于近眼显示器，之后一直没有相关报道。最近，LEDinside从最近台湾固态照明研讨会得到消息，Leti、德州大学(Texas Tech University)和PlayNitride皆在研讨会上展现自己的microLED研发成果。

Leti推出了iLED matrix，其蓝光EQE9.5%，亮度可达107Cd/m2;绿光EQE5.9%，亮度可达108Cd/m2，采用量子点实现全彩显示，Pitch只有10um，未来目标做到1um。Leti近程计划从smart lighting切入，中程2-3年进入HUD和HMD市场，抢搭VR/AR热，远程目标是10年内切入大尺寸display应用。

而台湾Play Nitride公布的同样以氮化镓为基础的PixeLEDTM display技术，公司目前透过移转技术转移至面板，转移良率可达99%!

由此可见，Micro LED技术已经有很多企业在跟进，发展速度也在加快。但就苹果本身来看，该技术属苹果实验室阶段技术，且苹果本身也押宝了许多新兴产业，故未来是否导入量产仍有待观察。

原理

Micro LED Display的显示原理，是将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化，其尺寸仅在1~10μm等级左右；后将MicroLED批量式转移至电路基板上，其基板可为硬性、软性之透明、不透明基板上；再利用物理沉积制程完成保护层与上电极，即可进行上基板的封装，完成一结构简单的Micro LED显示。

而要制成显示器，其晶片表面必须制作成如同LED显示器般之阵列结构，且每一个点画素必须可定址控制、单独驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体电路驱动则为主动定址驱动架构，Micro LED阵列晶片与CMOS间可透过封装技术。黏贴完成后Micro LED能藉由整合微透镜阵列，提高亮度及对比度。Micro LED阵列经由垂直交错的正、负栅状电极连结每一颗Micro LED的正、负极，透过电极线的依序通电，透过扫描方式点亮Micro LED以显示影像。

Micro LED结构图

Micro LED典型结构是一PN接面二极管，由直接能隙半导体材料构成。当对MicroLED上下电极施加一正向偏压，致使电流通过时，电子、空穴对于主动区复合，发射出单一色光。Micro LED光谱主波长的FWHM约20nm，可提供极高的色饱和度，通常可>；120%NTSC。

而且自2008年以后，LED光电转换效率得到了大幅提高，100 lm/W以上已成量产标准。因此对于Micro LED显示的应用，因其自发光的显示特性，搭配几乎无光耗元件的简易结构，就可轻易实现低能耗或高亮度的显示器设计。

这样可以可解决目前显示器应用的两大问题，一是穿戴型装置、手机、平板等设备的80%以上的能耗在于显示器上，低能耗的显示器技术可提供更长的电池续航力；一是环境光较强致使显示器上的影像泛白、辨识度变差的问题，高亮度的显示技术可使其应用的范畴更加宽广。

制程种类及技术发展

对于半导体与芯片的制程微缩目前已到极限，而在制造上的微缩却还存在相当大的成长空间，对于Micro LED制程上，目前主要呈现分为三大种类：Chip bonding、Wafer bonding和Thin film transfer。

三大制程的各自优劣势及厂商

Chip bonding（芯片级焊接）：是将LED直接进行切割成微米等级的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板)，利用SMT技术或COB技术，将微米等级的Micro LED chip一颗一颗键接于显示基板上。

Wafer bonding（外延级焊接）：是在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP)，直接形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构，此结构之固定间距即为显示画素所需的间距，再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱动电路基板上，最后使用物理或化学机制剥离基板，仅剩4~5μm的Micro LED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上形成显示画素。

Thin film transfer（薄膜转移）：是使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED磊晶薄膜层，再利用感应耦合等离子离子蚀刻，形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构；或者，先利用感应耦合等离子离子蚀刻，形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构，再使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED磊晶薄膜结构。最后，根据驱动电路基板上所需的显示画素点间距，利用具有选择性的转移治具，将Micro LED磊晶薄膜结构进行批量转移，键接于驱动电路基板上形成显示画素。

凸显的优势

Micro LED优点表现的很明显，它继承了无机LED的高效率、高亮度、高可靠度及反应时间快等特点，并且具自发光无需背光源的特性，更具节能、机构简易、体积小、薄型等优势。

除此之外，Micro LED还有一大特性就是解析度超高。因为超微小，表现的解析度特别高;据说，如若苹果iPhone6S采用micro LED，解析度可轻松达1500ppi以上，比原来的Retina显示的400PPi要高出3.75倍

而相比OLED，其色彩更容易准确的调试，有更长的发光寿命和更高的亮度以及具有较佳的材料稳定性、寿命长、无影像烙印等优点。故为OLED之后另一具轻薄及省电优势的显示技术，其与OLED共通性在于亦需以TFT背板驱动，所以TFT技术等级为IGZO、LTPS、Oxide。

存在的劣势

1、成本及大面积应用的劣势。依赖于单晶硅衬底做驱动电路，并且从此前苹果公布的专利上来看，有着从蓝宝石衬底转移LED到硅衬底上的步骤，也就意味着制作一块屏幕至少需要两套衬底和互相独立的工艺。这会导致成本的上升，尤其是较大面积应用时，会面临良率和成本会有巨大的挑战。(对于单晶硅衬底，一两寸已经是很大的面积了，参照全幅和更大的中划幅CMOS感应器产品的价格)当然从技术角度来说LuxVue将驱动电路衬底转换为石英或者玻璃来降低大面积应用成本是可行的，但这也需要时间。相比于AMOLED成熟的LTPS+OLED方案，成本没有优势。

2、发光效率优势被PHOLED威胁甚至反超。磷光OLED(Phosphorescent OLED，PHOLED)效率的提升有目共睹，UDC公司的红绿PHOLED材料也都已经在三星GalaxyS4及后继机型的面板上开始商用，面板功耗已经和高PPI的TFT-LCD打平或略有优势。一旦蓝光PHOLED材料的寿命问题解决并商用，无机LED在效率上也将占不到便宜。

3、亮度和寿命被QLED威胁。QLED研究现在很热，从QD Vision公司提供的数据来看无论效率和寿命都非常有前景，而从事这块研究的大公司也很多。当然QLED也是OLED的强力竞争对手。

4、难以做成卷曲和柔性显示。OLED和QLED的柔性显示前景很好，也已经有不少的Prototype展示，但对于LuxVue来说做成卷曲和柔性都显得比较困难。如果要制造iWatch之类的产品，屏幕没有一定的曲率是比较不符合审美的。

发展的瓶颈

其实Micro LED的核心技术是纳米级LED的转运，而不是制作LED这个技术本身。由于晶格匹配的原因，LED微器件必须先在蓝宝石类的基板上通过分子束外延的生长出来。而做成显示器，必须要把LED发光微器件转移到玻璃基板上。由于制作LED微器件的蓝宝石基板尺寸基本上就是硅晶元的尺寸，而制作显示器则是尺寸大得多的玻璃基板，因此必然需要进行多次转运。

对于微器件的多次转运技术难度都是特别高，而用在追求高精度显示器的产品上难度就更大。通过此前苹果收购Luxvue后公布的获取专利名单也以看出，大多都是采用电学方式完成转运过程，所以说这才是Luxvue的关键核心技术

台湾錼创执行长李允立近日也表示：“Micro LED成功关键有二：一是苹果、三星这些品牌厂的意愿;二是晶片搬动技术，一次搬运数百万颗超小LED晶片，有门槛要克服。”

其实，Micro LED还面临第三个问题，即全彩化、良率、发光波长一致性问题。单色Micro LED阵列通过倒装结构封装和驱动IC贴合就可以实现，但RGB阵列需要分次转贴红、蓝、绿三色的晶粒，需要嵌入几十万颗LED晶粒,对于LED晶粒光效、波长的一致性、良率要求更高，同时分bin的成本支出也是阻碍量产的技术瓶颈。

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