南京中電熊貓平板顯示技術有限公司工程師崔曉晨
在2016中國平板顯示學術大會的新型(xing)顯示及(ji)觸控技術的分論壇上，南京(jing)中電熊貓平板顯示技術有限公司(si)工程師崔曉晨給我們(men)分享了一些Micro LED的技術。以下為演(yan)講文字實錄(lu)：
LCD顯(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)器是目前(qian)發(fa)展(zhan)(zhan)較(jiao)為(wei)成熟的微(wei)顯(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)技術，但(dan)其需要背(bei)光(guang)(guang)(guang)源，Open cell穿透率約(yue)在(zai)7%，光(guang)(guang)(guang)電(dian)效率低，且亮度較(jiao)低，應用場景(jing)受到很大限制。OLED型微(wei)顯(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)器是一種有機(ji)電(dian)致發(fa)光(guang)(guang)(guang)的全(quan)(quan)固體顯(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)器件(jian)，雖然有許多(duo)優點，但(dan)由(you)于核心部(bu)分(fen)為(wei)有機(ji)材(cai)料(liao)，目前(qian)仍存在(zai)著不易實現全(quan)(quan)彩顯(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)、有機(ji)發(fa)光(guang)(guang)(guang)層制作困難(nan)以及有機(ji)物老(lao)化導致壽命較(jiao)短(duan)等缺陷。因此，另一種直接(jie)利(li)用三原色LED做為(wei)自發(fa)光(guang)(guang)(guang)顯(xian)示(shi)(shi)(shi)(shi)點畫素的Micro LED Display的技術也正在(zai)發(fa)展(zhan)(zhan)中。
隨著LED的成熟(shu)與演進(jin)，Micro LED Display自2010年起(qi)開始呈現不一(yi)樣的面貌。
自2010年(nian)后各廠(chang)商積極于Micro LED Display的技術整合與開發，然因Micro LED Display尚未有標(biao)準的μLED結構(gou)、量產(chan)制程與驅動電路設計，各廠(chang)商其專利布局更是兵家必爭之地。到2016年(nian)被(bei)Apple并購的LuxVue、Mikro Mesa、Sony、Leti等公司皆(jie)已具數(shu)量規模的專利申(shen)請(qing)案，更有為(wei)數(shu)眾多的公司與研究機構(gou)投(tou)入相關的技術開發。
Micro LED Display綜合(he)TFT-LCD和LED兩大技術特點，在材料、制程、設(she)備的發展較為成熟，產品規格遠高于目(mu)前的TFT-LCD或OLED，應用(yong)領(ling)域更為廣泛包(bao)含有柔性、透(tou)明顯示器。
Micro LED Display，是由微小LED組成的(de)高分辨率顯示(shi)面板(ban)，有(you)別于目前(qian)市(shi)場將LED置于液晶顯示(shi)器背光(guang)源的(de)做法，Micro LED Display的(de)顯示(shi)原(yuan)理(li)是將LED結構設計(ji)進行(xing)(xing)薄膜(mo)化、微小化、陣(zhen)列(lie)化，其尺寸(cun)僅在1-10微米等(deng)級左右;然后(hou)將Micro LED批量轉移(yi)至電(dian)路(lu)基板(ban)上，其基板(ban)可為硬性、軟性的(de)透(tou)明、不透(tou)明TFT背板(ban)，TFT技術等(deng)級為IGZO、LTPS、Oxide;再(zai)利用物理(li)沉積制程(cheng)完成保(bao)護層與上電(dian)極，進行(xing)(xing)上基板(ban)的(de)封裝(zhuang)，完成Micro LED顯示(shi)。Micro LED陣(zhen)列(lie)的(de)每一個(ge)像(xiang)(xiang)素(su)可定址、單獨驅動點亮(liang)，通過(guo)電(dian)極線(xian)的(de)依序通電(dian)點亮(liang)Micro LED以顯示(shi)影像(xiang)(xiang)。
Micro LED典型(xing)結構(gou)是一(yi)PN結面二(er)極(ji)管，由直接能隙半導(dao)體材(cai)料構(gou)成，采用成熟的(de)多量子(zi)阱(jing)(MQWs)LED芯片技術，最大限度(du)地體現(xian)LED器件作(zuo)為(wei)顯示器的(de)優勢。通過對Micro LED上(shang)下電極(ji)施加(jia)一(yi)正向偏(pian)壓，致使(shi)電流通過時(shi)，電子(zi)、空穴在主動(dong)區復合(he)，發射出單一(yi)色光。目(mu)前(qian)做LED是分為(wei)三種(zhong)結構(gou)，有正裝LED、倒裝LED、垂直LED。
高(gao)光提取效率的合適(shi)形狀包括(kuo)球(qiu)形、半球(qiu)形、去(qu)掉頂的橢圓形等，然(ran)而這些結構(gou)很難實現(xian)，并且成(cheng)本很高(gao)。(PPT)
Krames科研小組提出了去掉頂(ding)的倒(dao)金(jin)字(zi)塔結構LED，管芯的側(ce)面(mian)為斜面(mian)，LED的這種幾何(he)外(wai)形可以使(shi)內部反射(she)(she)的光從(cong)側(ce)壁的內表面(mian)再次傳(chuan)(chuan)播(bo)到上(shang)表面(mian)，而(er)以小于(yu)臨(lin)界角(jiao)的角(jiao)度(du)出射(she)(she)。同時(shi)傳(chuan)(chuan)播(bo)到上(shang)表面(mian)大于(yu)臨(lin)界角(jiao)的光重新從(cong)側(ce)面(mian)出射(she)(she)。這兩種過程(cheng)能同時(shi)減小光在內部傳(chuan)(chuan)播(bo)的路程(cheng)，外(wai)量子效率提高(gao)。
下面(mian)講一下Micro LED的(de)轉運技術：
由于(yu)(yu)晶格(ge)匹配的(de)(de)(de)(de)原因，LED微(wei)器件必須先(xian)在藍寶(bao)石(shi)、SiC、Si等襯底上(shang)(shang)通(tong)過(guo)(guo)分子束外(wai)延生長出(chu)來(lai)(lai)。而做成(cheng)顯(xian)示(shi)器，必須要把LED發(fa)光微(wei)器件轉移(yi)到玻(bo)璃基板(ban)上(shang)(shang)，對于(yu)(yu)微(wei)器件的(de)(de)(de)(de)多次轉運(yun)技術難(nan)度都特(te)別高，而用(yong)在追(zhui)求高精(jing)度顯(xian)示(shi)的(de)(de)(de)(de)產品上(shang)(shang)難(nan)度就更大(da)。通(tong)過(guo)(guo)此(ci)前蘋果收購LuxVue后公布(bu)的(de)(de)(de)(de)獲取專(zhuan)利名單也(ye)可以(yi)看出(chu)，大(da)多都是采(cai)用(yong)電學方式(shi)完成(cheng)轉運(yun)過(guo)(guo)程，所以(yi)說納米級LED的(de)(de)(de)(de)轉運(yun)技術是LuxVue的(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)核心(xin)技術。四個主要的(de)(de)(de)(de)轉運(yun)設備、轉移(yi)頭、轉運(yun)方式(shi)、穩定裝置。轉運(yun)方式(shi)目(mu)前采(cai)用(yong)熱或者是壓力(li)的(de)(de)(de)(de)作用(yong)把Micro LED的(de)(de)(de)(de)生長轉移(yi)到基板(ban)上(shang)(shang)，然后通(tong)過(guo)(guo)間(jian)(jian)隔層間(jian)(jian)隔到承載基板(ban)，這(zhe)個間(jian)(jian)隔層可以(yi)通(tong)過(guo)(guo)溫度的(de)(de)(de)(de)改變(bian)來(lai)(lai)改變(bian)。
Micro LED轉運方式(shi)目前主要分為三類：芯片(pian)級焊接、晶圓(yuan)外(wai)延級焊接、薄膜轉移。
芯片級焊接(jie)：將LED切割成一顆(ke)顆(ke)微米等(deng)級的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板(ban))，利用表面(mian)貼裝(zhuang)技術(shu)鍵接(jie)于驅(qu)動(dong)背板(ban)上。
晶(jing)圓外延級焊(han)接(jie)：在LED的(de)磊(lei)晶(jing)薄膜層上刻蝕形(xing)成微米等級的(de)Micro LED磊(lei)晶(jing)薄膜結構(gou)，此(ci)結構(gou)的(de)間距(ju)為顯示(shi)像(xiang)(xiang)素(su)所需的(de)間距(ju)，再將LED晶(jing)圓(含磊(lei)晶(jing)薄膜和基板(ban))直接(jie)鍵接(jie)于驅(qu)動(dong)背(bei)板(ban)上，最后使用物理或(huo)化(hua)學機制(zhi)剝離基板(ban)，僅剩4——5μm的(de)Micro LED磊(lei)晶(jing)薄膜結構(gou)于驅(qu)動(dong)背(bei)板(ban)上形(xing)成顯示(shi)像(xiang)(xiang)素(su)。
薄(bo)膜(mo)(mo)轉(zhuan)移：使用(yong)物理或化學機制剝離(li)LED基板，以(yi)一暫時(shi)基板承載LED磊晶薄(bo)膜(mo)(mo)層，再刻蝕形成微(wei)米(mi)等(deng)級的Micro LED磊晶薄(bo)膜(mo)(mo)結構，最后根據驅動(dong)背板所需顯(xian)示像素點(dian)間距，利(li)用(yong)具有選(xuan)擇性的轉(zhuan)移治具，將Micro LED磊晶薄(bo)膜(mo)(mo)結構進行批(pi)量轉(zhuan)移，鍵(jian)接于驅動(dong)背板上(shang)形成顯(xian)示像素。
下面是對三個(ge)轉(zhuan)運方(fang)(fang)式的(de)(de)一個(ge)對比(bi)(bi)(PPT)，第一個(ge)方(fang)(fang)式就(jiu)是沒(mei)有尺(chi)寸限(xian)制，但是批(pi)量轉(zhuan)移的(de)(de)能力(li)會比(bi)(bi)較小，成(cheng)本也(ye)比(bi)(bi)較高(gao)，相對來說比(bi)(bi)較適合(he)小尺(chi)寸，我們了解到(dao)Sony比(bi)(bi)較適合(he)。薄膜轉(zhuan)移技術相對外延(yan)轉(zhuan)移是比(bi)(bi)較好的(de)(de)，也(ye)是沒(mei)有尺(chi)寸限(xian)制，間距也(ye)是可以調的(de)(de)。下面的(de)(de)這個(ge)公司也(ye)是采用的(de)(de)這個(ge)公司。
這(zhe)(zhe)些(xie)是(shi)我(wo)們了解到的(de)開(kai)發的(de)企業，從這(zhe)(zhe)個表格中(zhong)我(wo)們可以看到，對Micro LED的(de)顯示技術主要還是(shi)歐(ou)美的(de)比(bi)較(jiao)多，從這(zhe)(zhe)些(xie)數據上也(ye)可以看到，大多數研究機構也(ye)是(shi)把它放(fang)在了小尺(chi)寸上面(mian)，只有日本的(de)Sony做的(de)尺(chi)寸大一些(xie)。
早在2000年Cree就(jiu)申請了名(ming)為“Micro-led array with enhanced light extraction”的(de)專利，隨(sui)后相關(guan)(guan)論文發表也很多。學界對Micro LED的(de)投入一(yi)直持續，University of IIIinois的(de)John A. Rogers就(jiu)是這個領域的(de)大師;LED廠、面板廠也秘密研發多年，但(dan)商業化的(de)關(guan)(guan)鍵(jian)角色，還是非兩(liang)位消費(fei)電子(zi)霸主“Sony”和“Apple”莫屬。
通過前面的(de)對比(bi)，Sony 優先把顯(xian)示屏幕尺寸做大(da)，將目標(biao)設定在(zai)遠距離觀賞，由于需用(yong)的(de) LED 顆(ke)數多，導致制作費工(gong)費時，只(zhi)能期望用(yong)低 PPI(LED 尺寸較大(da)) 換取高良率。
Apple優先把 LED 縮小，做(zuo)高畫質顯(xian)示，但只做(zuo)用(yong)于穿戴式設備的小尺寸顯(xian)示器，避免因累計良率過(guo)低(di)，價格無法達(da)商業(ye)化水平，日前蘋果的臺灣龍潭廠已實驗性點亮了 6 寸的 Micro LED 顯(xian)示器。
下面(mian)是(shi)Micro LED的全彩顯(xian)示：一個是(shi)三色LED陳列混(hun)(hun)合(he)，通(tong)過三種顏(yan)色芯片(pian)(pian)和合(he)色棱鏡的作用(yong)顯(xian)示彩色圖像。藍(lan)光(guang)(guang)+三色熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)粉，采用(yong)藍(lan)光(guang)(guang)或者紫外光(guang)(guang)加熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)粉的方(fang)式，在(zai)特定(ding)區域沉積(ji)特定(ding)的含有量子點的熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)粉，白光(guang)(guang)+濾光(guang)(guang)片(pian)(pian)，通(tong)過藍(lan)光(guang)(guang)混(hun)(hun)合(he)黃(huang)光(guang)(guang)熒(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)粉產生白光(guang)(guang)，再(zai)通(tong)過濾光(guang)(guang)片(pian)(pian)取色。
LED的(de)(de)驅(qu)(qu)動(dong)方式(shi)：Micro LED陣(zhen)列(lie)經(jing)由垂直交錯的(de)(de)正、負條狀電(dian)極(ji)連(lian)接每一顆(ke)Micro LED的(de)(de)正、負極(ji)。受(shou)驅(qu)(qu)動(dong)方式(shi)的(de)(de)限制，此方式(shi)無(wu)法較好的(de)(de)實(shi)現高分辨率顯(xian)示。所有(you)Micro LED負極(ji)通過共用層形成(cheng)連(lian)接，正極(ji)與驅(qu)(qu)動(dong)背板進(jin)行(xing)金屬(shu)鍵合(he)(he)，通過互補(bu)式(shi)金屬(shu)氧化物半導體(CMOS)電(dian)路(lu)驅(qu)(qu)動(dong)。不受(shou)掃描(miao)電(dian)極(ji)數的(de)(de)限制，可以對各像(xiang)素(su)獨立進(jin)行(xing)選(xuan)擇性調節。驅(qu)(qu)動(dong)電(dian)路(lu)藏于顯(xian)示屏內，更易于實(shi)現集成(cheng)度和(he)小(xiao)型化，適合(he)(he)多數應用場合(he)(he)。
Micro LED存在(zai)的(de)(de)(de)問題(ti)，主要的(de)(de)(de)困難點(dian)有三(san)(san)點(dian)：以目前已(yi)成(cheng)熟的(de)(de)(de)LED燈(deng)(deng)條制(zhi)程為例，在(zai)制(zhi)作(zuo)一(yi)LED燈(deng)(deng)條尚有壞點(dian)等失敗問題(ti)發生，而一(yi)片顯示器上要嵌(qian)入數百萬(wan)顆微(wei)型LED，良率(lv)表現(xian)相對(dui)較差。倒(dao)裝(Flip Chip)LED適合(he)于Micro LED顯示，因其體(ti)積(ji)小(xiao)、易制(zhi)作(zuo)成(cheng)微(wei)型化，不(bu)需金屬導線(xian)、可(ke)縮(suo)減(jian)LED彼此間(jian)的(de)(de)(de)間(jian)隙(xi)等，但倒(dao)裝LED目前的(de)(de)(de)良率(lv)還有一(yi)定問題(ti)。嵌(qian)入LED制(zhi)程不(bu)易采用大(da)批量的(de)(de)(de)作(zuo)業方(fang)式，尤其是RGB的(de)(de)(de)3色(se)LED較單色(se)難度更高(gao)。單色(se)Micro LED陣列通過倒(dao)裝結構(gou)封裝和驅(qu)動IC貼(tie)合(he)就(jiu)可(ke)以實(shi)現(xian)，但RGB陣列需要分次(ci)轉貼(tie)紅、綠(lv)、藍三(san)(san)色(se)晶粒，需要嵌(qian)入幾(ji)十/百萬(wan)顆LED晶粒，對(dui)于LED晶粒光效、波長的(de)(de)(de)一(yi)致性、良率(lv)要求(qiu)更高(gao)。#p#分頁標題(ti)#e#
Micro LED的(de)(de)優(you)勢和(he)劣勢：比較(jiao)突出的(de)(de)三個(ge)方面(mian)優(you)勢：具備無(wu)機LED高(gao)(gao)(gao)(gao)效率、高(gao)(gao)(gao)(gao)亮(liang)(liang)度、高(gao)(gao)(gao)(gao)可靠(kao)度、反應(ying)(ying)時(shi)間快的(de)(de)特點。自光無(wu)需(xu)背光源，更(geng)具節能、機構簡易、體積小(xiao)、薄型等優(you)勢。解(jie)析(xi)(xi)度超高(gao)(gao)(gao)(gao)，因為(wei)超微小(xiao)，表現的(de)(de)解(jie)析(xi)(xi)度特別高(gao)(gao)(gao)(gao)。相比OLED，色彩更(geng)容(rong)易準確的(de)(de)調試(shi)，有更(geng)長的(de)(de)發光壽命和(he)更(geng)高(gao)(gao)(gao)(gao)的(de)(de)亮(liang)(liang)度以及具有較(jiao)佳的(de)(de)材料穩(wen)定性。昨天幾(ji)個(ge)院(yuan)士也講Micro LED還是比較(jiao)適合(he)在(zai)小(xiao)尺寸上(shang)應(ying)(ying)用，因為(wei)它的(de)(de)成本上(shang)也比較(jiao)高(gao)(gao)(gao)(gao)，大面(mian)積應(ying)(ying)用的(de)(de)話(hua)。
Micro LED的(de)應用(yong)前景(jing)：雖然目(mu)前還沒有(you)(you)發(fa)(fa)展起來，但是高(gao)照(zhao)度(du)、低能耗(hao)和超高(gao)解(jie)析度(du)等優異的(de)特性，使(shi)其(qi)成為平視顯示器(qi)(HUD)、微投影、頭戴顯示器(qi)(HMD)的(de)理想選擇。還有(you)(you)一(yi)點是Micro LED間距則(ze)足以整(zheng)合多個甚(shen)至多樣感(gan)(gan)測(ce)器(qi)，同為自發(fa)(fa)光的(de)OLED 為提(ti)升效率(lv)必須將(jiang)R、G、B 子像(xiang)素排列緊(jin)密(mi)，在間距變窄(zhai)下所(suo)能置入的(de)感(gan)(gan)測(ce)器(qi)有(you)(you)限，所(suo)以在穿戴式設(she)備、智能手(shou)機等應用(yong)上(shang)也將(jiang)扮演(yan)關鍵角(jiao)色，目(mu)前來看它的(de)發(fa)(fa)展前景(jing)還是很不錯的(de)。
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