從Micro-LED的歷史與現(xiàn)狀，看其量產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)與應(yīng)用前景
揭開(kāi)Micro-LED的神秘外衣
Micro-LED是什么？
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(dú)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮，可看成是戶外led顯示屏的微縮版，將像素點(diǎn)距離從毫米級(jí)降低至微米級(jí)。
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(dòng)電路，然后再用MOCVD機(jī)在集成電路上制作LED陣列，從而實(shí)現(xiàn)了微型顯示屏，也就是所說(shuō)的led顯示屏的縮小版。
LuxVue有源矩陣Micro LED display申請(qǐng)的專(zhuān)利（圖片來(lái)源：LuxVue）
凸顯的優(yōu)勢(shì)
Micro LED優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)的很明顯，它繼承了無(wú)機(jī)LED的高效率、高亮度、高可靠度及反應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，并且具自發(fā)光無(wú)需背光源的特性，更具節(jié)能、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易、體積小、薄型等優(yōu)勢(shì)。
除此之外，Micro LED還有一大特性就是解析度超高。因?yàn)槌⑿。憩F(xiàn)的解析度特別高; 據(jù)說(shuō)，如若蘋(píng)果iPhone 6S采用micro LED，解析度可輕松達(dá)1500ppi以上，比原來(lái)的Retina顯示的400PPi要高出3.75倍
而相比OLED，其色彩更容易準(zhǔn)確的調(diào)試，有更長(zhǎng)的發(fā)光壽命和更高的亮度以及具有較佳的材料穩(wěn)定性、壽命長(zhǎng)、無(wú)影像烙印等優(yōu)點(diǎn)。故為OLED之后另一具輕薄及省電優(yōu)勢(shì)的顯示技術(shù)，其與OLED共通性在于亦需以TFT背板驅(qū)動(dòng)，所以TFT技術(shù)等級(jí)為IGZO、LTPS、Oxide。
基于微led顯示屏的量子點(diǎn)全色發(fā)光的處理流程（圖片來(lái)源：OSA Publishing）
存在的劣勢(shì)
1. 成本及大面積應(yīng)用的劣勢(shì)。依賴(lài)于單晶硅襯底做驅(qū)動(dòng)電路，并且從此前蘋(píng)果公布的專(zhuān)利上來(lái)看，有著從藍(lán)寶石襯底轉(zhuǎn)移LED到硅襯底上的步驟，也就意味著制作一塊屏幕至少需要兩套襯底和互相獨(dú)立的工藝。這會(huì)導(dǎo)致成本的上升，尤其是較大面積應(yīng)用時(shí)，會(huì)面臨良率和成本會(huì)有巨大的挑戰(zhàn)。
（對(duì)于單晶硅襯底，一兩寸已經(jīng)是很大的面積了，參照全幅和更大的中畫(huà)幅CMOS感應(yīng)器產(chǎn)品的價(jià)格）當(dāng)然從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)LuxVue將驅(qū)動(dòng)電路襯底轉(zhuǎn)換為石英或者玻璃來(lái)降低大面積應(yīng)用成本是可行的，但這也需要時(shí)間。相比于AMOLED成熟的LTPS+OLED方案，成本沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。
圖片來(lái)源：LuxVue
2. 發(fā)光效率優(yōu)勢(shì)被PHOLED威脅甚至反超。磷光OLED（Phosphorescent OLED，PHOLED）效率的提升有目共睹，UDC公司的紅綠PHOLED材料也都已經(jīng)在三星Galaxy S4及后繼機(jī)型的面板上開(kāi)始商用，面板功耗已經(jīng)和高PPI的TFT-LCD打平或略有優(yōu)勢(shì)。一旦藍(lán)光PHOLED材料的壽命問(wèn)題解決并商用，無(wú)機(jī)LED在效率上也將占不到便宜。
3. 亮度和壽命被QLED威脅。QLED研究現(xiàn)在很熱，從QD Vision公司提供的數(shù)據(jù)來(lái)看無(wú)論效率和壽命都非常有前景，而從事這塊研究的大公司也很多。當(dāng)然QLED也是OLED的強(qiáng)力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
4. 難以做成卷曲和柔性顯示。OLED和QLED的柔性顯示前景很好，也已經(jīng)有不少的Prototype展示，但對(duì)于LuxVue來(lái)說(shuō)做成卷曲和柔性都顯得比較困難。如果要制造iWatch之類(lèi)的產(chǎn)品，屏幕沒(méi)有一定的曲率是比較不符合審美的。
現(xiàn)狀
說(shuō)起micro LED的發(fā)展現(xiàn)狀，正如Nouvoyance現(xiàn)任CEO也是三星OLED面板中P排列像素創(chuàng)始人Candice Brown-Elliott所說(shuō)，在蘋(píng)果收購(gòu)LuxVue之前只有很少人知道和從事該領(lǐng)域，而現(xiàn)在已經(jīng)有很多人開(kāi)始討論這項(xiàng)技術(shù)。
而兩位Micro-LED技術(shù)的專(zhuān)家在去年也曾表示，該技術(shù)水平還很難應(yīng)用生產(chǎn)各種實(shí)用的屏幕面板，近期不大可能在iPhone、iPad或者iMac產(chǎn)品中看到這項(xiàng)屏幕技術(shù)。但對(duì)于較小的顯示屏，Micro-LED仍是一個(gè)可行的選擇，像Apple Watch等小型屏的應(yīng)用。
VerLASE的 MicroLED陣在近眼顯示器（ NED ）上的應(yīng)用(圖片來(lái)源：VerLASE）
其實(shí)自LuxVue被蘋(píng)果收入之后，有看到VerLASE公司宣布獲取突破性的色彩轉(zhuǎn)換技術(shù)專(zhuān)利，這種技術(shù)能夠讓全彩MicroLED陣列適用于近眼顯示器，之后一直沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。最近，LEDinside從最近臺(tái)灣固態(tài)照明研討會(huì)得到消息，Leti、德州大學(xué)(Texas Tech University)和PlayNitride皆在研討會(huì)上展現(xiàn)自己的micro LED研發(fā)成果。
Leti推出了iLED matrix，其藍(lán)光EQE 9.5%，亮度可達(dá)107 Cd/m2；綠光EQE 5.9%，亮度可達(dá)108 Cd/m2，采用量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全彩顯示，Pitch只有10 um，未來(lái)目標(biāo)做到1 um。Leti近程計(jì)劃從smart lighting切入，中程2-3年進(jìn)入HUD和HMD市場(chǎng)，搶搭VR/AR熱，遠(yuǎn)程目標(biāo)是10年內(nèi)切入大尺寸display應(yīng)用。
而臺(tái)灣Play Nitride公布的同樣以氮化鎵為基礎(chǔ)的PixeLEDTM display技術(shù)，公司目前透過(guò)移轉(zhuǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)移至面板，轉(zhuǎn)移良率可達(dá)99%！
由此可見(jiàn)，Micro LED技術(shù)已經(jīng)有很多企業(yè)在跟進(jìn)，發(fā)展速度也在加快。但就蘋(píng)果本身來(lái)看，該技術(shù)屬蘋(píng)果實(shí)驗(yàn)室階段技術(shù)，且蘋(píng)果本身也押寶了許多新興產(chǎn)業(yè)，故未來(lái)是否導(dǎo)入量產(chǎn)仍有待觀察。
發(fā)展的瓶頸
其實(shí)Micro LED的核心技術(shù)是納米級(jí)LED的轉(zhuǎn)運(yùn)，而不是制作LED這個(gè)技術(shù)本身。由于晶格匹配的原因，LED微器件必須先在藍(lán)寶石類(lèi)的基板上通過(guò)分子束外延的生長(zhǎng)出來(lái)。而做成顯示器，必須要把LED發(fā)光微器件轉(zhuǎn)移到玻璃基板上。由于制作LED微器件的藍(lán)寶石基板尺寸基本上就是硅晶元的尺寸，而制作顯示器則是尺寸大得多的玻璃基板，因此必然需要進(jìn)行多次轉(zhuǎn)運(yùn)。
對(duì)于微器件的多次轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)難度都是特別高，而用在追求高精度顯示器的產(chǎn)品上難度就更大。通過(guò)此前蘋(píng)果收購(gòu)Luxvue后公布的獲取專(zhuān)利名單也以看出，大多都是采用電學(xué)方式完成轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，所以說(shuō)這才是Luxvue的關(guān)鍵核心技術(shù)
臺(tái)灣錼創(chuàng)執(zhí)行長(zhǎng)李允立近日也表示："Micro LED成功關(guān)鍵有二：一是蘋(píng)果、三星這些品牌廠的意愿；二是晶片搬動(dòng)技術(shù)，一次搬運(yùn)數(shù)百萬(wàn)顆超小LED晶片，有門(mén)檻要克服。“
其實(shí)，Micro LED還面臨第三個(gè)問(wèn)題，即全彩化、良率、發(fā)光波長(zhǎng)一致性問(wèn)題。單色Micro LED陣列通過(guò)倒裝結(jié)構(gòu)封裝和驅(qū)動(dòng)IC貼合就可以實(shí)現(xiàn)，但RGB陣列需要分次轉(zhuǎn)貼紅、藍(lán)、綠三色的晶粒，需要嵌入幾十萬(wàn)顆LED晶粒,對(duì)于LED晶粒光效、波長(zhǎng)的一致性、良率要求更高，同時(shí)分bin的成本支出也是阻礙量產(chǎn)的技術(shù)瓶頸。
Micro-LED的成長(zhǎng)史
LED技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近三十年，最初只是作為一種新型固態(tài)照明光源，之后雖應(yīng)用于顯示領(lǐng)域，卻依然只是幕后英雄——背光模組。如今，LED逐漸從幕后走向臺(tái)前，迎來(lái)最蓬勃發(fā)展的時(shí)期。如今它已多次出現(xiàn)在各種重要場(chǎng)合，在顯示領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色。
▲圖1 LED在 ①鳥(niǎo)巢 ②水立方 ③上海世博會(huì)上的應(yīng)用
LED之所以能夠成為當(dāng)前的關(guān)注焦點(diǎn)，主要?dú)w功于它許多得天獨(dú)厚的優(yōu)點(diǎn)。它不僅能夠自發(fā)光，尺寸小，重量輕，亮度高，更有著壽命更長(zhǎng)，功耗更低，響應(yīng)時(shí)間更快，及可控性更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。這使得LED有著更廣闊的應(yīng)用范圍，并由此誕生出更高科技的產(chǎn)品。
▲圖2 LED 大尺寸顯示屏（分辨率較低）
▲圖3 8×8 LED陣列與micro-LED陣列的對(duì)比
如今，LED大尺寸顯示屏已經(jīng)投入應(yīng)用于一些廣告或者裝飾墻等。然而其像素尺寸都很大，這直接影響了顯示圖像的細(xì)膩程度，當(dāng)觀看距離稍近時(shí)其顯示效果差強(qiáng)人意。此時(shí)，micro-LED display 應(yīng)運(yùn)而生，它不僅有著LED的所有優(yōu)勢(shì)，還有著明顯的高分辨率及便攜性等特點(diǎn)。
當(dāng)前micro-LED display的發(fā)展主要有兩種趨勢(shì)。一個(gè)是索尼公司的主攻方向——小間距大尺寸高分辨率的室內(nèi)/外顯示屏。另一種則是蘋(píng)果公司正在推出的可穿戴設(shè)備（如 Apple Watch），該類(lèi)設(shè)備的顯示部分要求分辨率高、便攜性強(qiáng)、功耗低亮度高，而這些正是micro-LED的優(yōu)勢(shì)所在。
Micro-LED display 已經(jīng)發(fā)展了十?dāng)?shù)年，期間世界上多個(gè)項(xiàng)目組發(fā)布成果并促進(jìn)著相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。例如，2001年日本Satoshi Takano團(tuán)隊(duì)公布了他們的研究的一組micro-LED陣列。
該陣列采用無(wú)源驅(qū)動(dòng)方式，且使用打線連接像素與驅(qū)動(dòng)電路，并將紅綠藍(lán)三個(gè)LED芯片放置在同一個(gè)硅反射器上，通過(guò)RGB的方式實(shí)現(xiàn)彩色化。該陣列雖初見(jiàn)成效，但也有著不容忽視的缺點(diǎn)，其分辨率與可靠性都還很低，不同LED的正向?qū)妷翰顒e比較大[1]。
同年，H. X. Jiang團(tuán)隊(duì)也同樣做出了一個(gè)無(wú)源矩驅(qū)動(dòng)的10×10 micro-LED array。這個(gè)陣列創(chuàng)新性的使用四個(gè)公共n電極和100個(gè)獨(dú)立p電極。并采用復(fù)雜的版圖設(shè)計(jì)以盡量最優(yōu)化連線布局。雖然顯示效果有一定的進(jìn)步，但沒(méi)有解決集成能力低的問(wèn)題[2]。
▲圖4 H. X. Jiang團(tuán)隊(duì)的10×10 陣列連線布局
另一個(gè)比較突出的成果是在2006年由香港科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)公布的。同樣采用無(wú)源驅(qū)動(dòng)，使用倒裝焊技術(shù)集成Micro-LED 陣列[3]。但是同一行像素的正向?qū)妷阂膊顒e比較大，而且當(dāng)該列亮起的像素?cái)?shù)目不同時(shí)，像素的亮度也會(huì)受到影響，亮度的均勻性還不夠好。
▲圖5 香港科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)成果展示
2008年，Z. Y. Fan團(tuán)隊(duì)公布另一個(gè)無(wú)源驅(qū)動(dòng)的120×120的微陣列，其芯片尺寸為3.2mm×3.2mm，像素尺寸為20×12μm，像素間隔為22μm。尺寸方面已經(jīng)明顯得到優(yōu)化，但是，依然需要大量的打線，版圖布局仍然十分復(fù)雜[4]。
而同年Z. Gong團(tuán)隊(duì)公布的微陣列，依然采用無(wú)源矩陣驅(qū)動(dòng)，并使用倒裝焊技術(shù)集成。該團(tuán)隊(duì)做出了藍(lán)光（470nm）micro-LED陣列和UV micro-LED（370nm）陣列，并成功通過(guò)UV LED陣列激發(fā)了綠光和紅光量子點(diǎn)證明了量子點(diǎn)彩色化方式的可行性[5]。
▲圖6 UV micro-LED 陣列
▲ 圖7 Micro-LED 陣列與Si-CMOS的集成
此外，在該年，B. R. Rae 團(tuán)隊(duì)成功集成了 Si-CMOS 電路，該電路可為UV LED提供合適的電脈沖信號(hào)，并集成了SPAS （single photo avalanche diode ）探測(cè)器，主要應(yīng)用于在便攜式熒光壽命讀寫(xiě)器。然而其驅(qū)動(dòng)能力比較弱，且工作電壓很高[6]。
2009年，香港科技大學(xué)Z. J. Liu所在團(tuán)隊(duì)利用UV micro-LED陣列激發(fā)紅綠藍(lán)三色熒光粉，得到了全彩色的微LED顯示芯片[7]。2010年該團(tuán)隊(duì)分別利用紅綠藍(lán)三種LED外延片制備出360 PPI的微LED顯示芯片[8]，并把三個(gè)芯片集成在一起實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)去背光源化的全彩色微LED投影機(jī)[9]。
▲圖8 世界上首個(gè)去背光源的全彩色micro-LED投影機(jī)
之后，Z. J. Liu所在的香港科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)與中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)合力將微LED顯示的分辨率提高到1700 PPI，像素點(diǎn)距縮小到12微米，采用無(wú)源選址方式+倒裝焊封裝技術(shù)[10]。與此同時(shí)他們還成功制備出分辨率為846 PPI的WQVGA 有源選址微LED顯示芯片，并在該芯片中集成了光通訊功能[11]。
▲圖9 1700 PPI micro-LED微顯示芯片
這些僅是micro-LED發(fā)展歷史中比較重要的一些成果。之后，關(guān)于micro-LED的探索不斷深入，更多的進(jìn)展不斷被公布，包括進(jìn)一步減小尺寸，提高亮度的均勻性等，關(guān)于其驅(qū)動(dòng)方式，制備工藝及彩色化的實(shí)現(xiàn)等方面也有著諸多討論，這些將在后續(xù)系列中進(jìn)行介紹。
Micro-LED display彩色化的3大主要技術(shù)手段
Micro-LED display的彩色化是一個(gè)重要的研究方向。在當(dāng)今追求彩色化以及其高分辨率高對(duì)比率的嚴(yán)峻趨勢(shì)下，世界上各大公司與研究機(jī)構(gòu)提出多種解決方式并在不斷拓展中，本文將對(duì)主要的幾種Micro-LED彩色化實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行討論，包括RGB三色LED法、UV/藍(lán)光LED+發(fā)光介質(zhì)法、光學(xué)透鏡合成法。
一、 RGB三色LED法
RGB-LED全彩顯示顯示原理主要是基于三原色（紅、綠、藍(lán)）調(diào)色基本原理。眾所周知，RGB三原色經(jīng)過(guò)一定的配比可以合成自然界中絕大部分色彩。同理，對(duì)紅色-、綠色-、藍(lán)色-LED，施以不同的電流即可控制其亮度值，從而實(shí)現(xiàn)三原色的組合，達(dá)到全彩色顯示的效果，這是目前LED大屏幕所普遍采用的方法[1]。
在RGB彩色化顯示方法中，每個(gè)像素都包含三個(gè)RGB三色LED。一般采用鍵合或者倒裝的方式將三色LED的P和N電極與電路基板連接，具體布局與連接方式如圖1所示[2]。
之后，使用專(zhuān)用LED全彩驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)每個(gè)LED進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM)電流驅(qū)動(dòng)，PWM電流驅(qū)動(dòng)方式可以通過(guò)設(shè)置電流有效周期和占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光。例如一個(gè)8位PWM全彩LED驅(qū)動(dòng)芯片，可以實(shí)現(xiàn)單色LED的28=256種調(diào)光效果，那么對(duì)于一個(gè)含有三色LED的像素理論上可以實(shí)現(xiàn)256*256*256=16,777,216種調(diào)光效果，即16,777,216種顏色顯示。具體的全彩化顯示的驅(qū)動(dòng)原理如圖2所示[2]。
但是事實(shí)上由于驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)際輸出電流會(huì)和理論電流有誤差，單個(gè)像素中的每個(gè)LED都有一定的半波寬(半峰寬越窄，LED的顯色性越好)和光衰現(xiàn)象，繼而產(chǎn)生LED像素全彩顯示的偏差問(wèn)題。
▲圖1 RGB全彩色顯示的單像素布局示意圖
▲圖2 RGB全彩色顯示驅(qū)動(dòng)原理示意圖
二、 UV/藍(lán)光LED+發(fā)光介質(zhì)法
UV LED（紫外LED）或藍(lán)光LED+發(fā)光介質(zhì)的方法可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 則需激發(fā)紅綠藍(lán)三色發(fā)光介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)RGB三色配比; 如使用藍(lán)光micro-LED則需要再搭配紅色和綠色發(fā)光介質(zhì)即可，以此類(lèi)推。該項(xiàng)技術(shù)在2009年由香港科技大學(xué)劉紀(jì)美教授與劉召軍教授申請(qǐng)專(zhuān)利并已獲得授權(quán)（專(zhuān)利號(hào)：US 13/466,660, US 14/098,103）。
發(fā)光介質(zhì)一般可分為熒光粉與量子點(diǎn)（QD: Quantum Dots）。納米材料熒光粉可在藍(lán)光或紫外光LED的激發(fā)下發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，光色由熒光粉材料決定且簡(jiǎn)單易用，這使得熒光粉涂覆方法廣泛應(yīng)用于LED照明，并可作為一種傳統(tǒng)的micro-LED彩色化方法。
熒光粉涂覆一般在micro-LED與驅(qū)動(dòng)電路集成之后，再通過(guò)旋涂或點(diǎn)膠的方法涂覆于樣品表面。圖3則是一種熒光粉涂覆方法的應(yīng)用，其中（a）圖顯示一個(gè)像素單元中包含紅綠藍(lán)4個(gè)子像素，圖（b）則顯示了micro-LED點(diǎn)亮后的彩色效果[3]。
該方式直觀易懂卻存在不足之處，其一熒光粉涂層將會(huì)吸收部分能量，降低了轉(zhuǎn)化率；其二則是熒光粉顆粒的尺寸較大，約為1-10微米，隨著micro-LED 像素尺寸不斷減小，熒光粉涂覆變的愈加不均勻且影響顯示質(zhì)量。而這讓量子點(diǎn)技術(shù)有了大放異彩的機(jī)會(huì)。
（a） （b）
▲圖3 熒光粉彩色化micro-LED的像素設(shè)計(jì)及顯示效果
量子點(diǎn)，又可稱(chēng)為納米晶，是一種由II－VI族或III－V族元素組成的納米顆粒。量子點(diǎn)的粒徑一般介于1～10nm之間，可適用于更小尺寸的micro-display。量子點(diǎn)也具有電致發(fā)光與光致放光的效果，受激后可以發(fā)射熒光，發(fā)光顏色由材料和尺寸決定，因此可通過(guò)調(diào)控量子點(diǎn)粒徑大小來(lái)改變其不同發(fā)光的波長(zhǎng)。
當(dāng)量子點(diǎn)粒徑越小，發(fā)光顏色越偏藍(lán)色；當(dāng)量子點(diǎn)越大，發(fā)光顏色越偏紅色。量子點(diǎn)的化學(xué)成分多樣，發(fā)光顏色可以覆蓋從藍(lán)光到紅光的整個(gè)可見(jiàn)區(qū)。而且具有高能力的吸光-發(fā)光效率、很窄的半高寬、寬吸收頻譜等特性，因此擁有很高的色彩純度與飽和度。且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，薄型化，可卷曲，非常適用于micro-display的應(yīng)用[4]。
目前常采用旋轉(zhuǎn)涂布、霧狀噴涂技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)量子點(diǎn)技術(shù)，即使用噴霧器和氣流控制來(lái)噴涂出均勻且尺寸可控的量子點(diǎn)，裝置與原理示意圖如圖4所示[5]。將其涂覆在UV/藍(lán)光LED上，使其受激發(fā)出RGB三色光，再通過(guò)色彩配比實(shí)現(xiàn)全彩色化，如圖5所示[5]。
但是上述技術(shù)存在的主要問(wèn)題為各顏色均勻性與各顏色之間的相互影響，所以解決紅綠藍(lán)三色分離與各色均勻性成為量子點(diǎn)發(fā)光二極管運(yùn)用于微顯示器的重要難題之一。
此外，當(dāng)前量子點(diǎn)技術(shù)還不夠成熟，還存在著材料穩(wěn)定性不好、對(duì)散熱要求高、且需要密封、壽命短等缺點(diǎn)。這極大了限制了其應(yīng)用范圍，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和成熟，我們期待量子點(diǎn)將有機(jī)會(huì)扮演更重要的角色。
▲ 圖4 (a)高精度霧化噴涂系統(tǒng)(Aerosol jet technology)及其(b)原理圖。
▲圖5 利用高精度噴涂技術(shù)制作紅、綠、藍(lán)三原色陣列示意圖
三、 光學(xué)透鏡合成法
透鏡光學(xué)合成法是指通過(guò)光學(xué)棱鏡（Trichroic Prism）將RGB三色micro-LED合成全彩色顯示。具體方法是是將三個(gè)紅、綠、藍(lán)三色的micro-LED陣列分別封裝在三塊封裝板上，并連接一塊控制板與一個(gè)三色棱鏡。
之后可通過(guò)驅(qū)動(dòng)面板來(lái)傳輸圖片信號(hào)，調(diào)整三色micro-LED陣列的亮度以實(shí)現(xiàn)彩色化，并加上光學(xué)投影鏡頭實(shí)現(xiàn)微投影。整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)物圖與原理圖如圖6所示，顯示效果如圖7所示[6]。
▲圖6棱鏡光學(xué)合成法的a), b) 實(shí)物圖，c) 原理示意圖
▲圖7棱鏡光學(xué)合成法的顯示效果
解密Micro-LED三種不同的驅(qū)動(dòng)方式
Micro-LED是電流驅(qū)動(dòng)型發(fā)光器件，其驅(qū)動(dòng)方式一般只有兩種模式：無(wú)源選址驅(qū)動(dòng)（PM：Passive Matrix，又稱(chēng)無(wú)源尋址、被動(dòng)尋址、無(wú)源驅(qū)動(dòng)等等）與有源選址驅(qū)動(dòng)（AM：Active Matrix，又稱(chēng)有源尋址、主動(dòng)尋址、有源驅(qū)動(dòng)等），本文還將分析一種 “半有源”選址驅(qū)動(dòng)方式。這幾種模式具有不同的驅(qū)動(dòng)原理與應(yīng)用特色，下面將通過(guò)電路圖來(lái)具體介紹其原理。
什么是PM驅(qū)動(dòng)模式？
無(wú)源選址驅(qū)動(dòng)模式把陣列中每一列的LED像素的陽(yáng)極（P-electrode）連接到列掃描線（Data Current Source），同時(shí)把每一行的LED像素的陰極（N-electrode）連接到行掃描線（Scan Line）。
當(dāng)某一特定的第Y列掃描線和第X行掃描線被選通的時(shí)候，其交叉點(diǎn)（X，Y）的LED像素即會(huì)被點(diǎn)亮。整個(gè)屏幕以這種方式進(jìn)行高速逐點(diǎn)掃描即可實(shí)現(xiàn)顯示畫(huà)面，如圖1所示。[1,2]這種掃描方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較為容易實(shí)現(xiàn)。
但不足之處是連線復(fù)雜（需要X+Y根連線），寄生電阻電容大導(dǎo)致效率低，像素發(fā)光時(shí)間短（1場(chǎng)/XY）從而導(dǎo)致有效亮度低，像素之間容易串?dāng)_，并且對(duì)掃描信號(hào)的頻率需求較高。
另外一種優(yōu)化的無(wú)源選址驅(qū)動(dòng)方式是在列掃描部分加入鎖存器，其作用是把某一時(shí)刻第X行所有像素的列掃描信號(hào)（Y1, Y2… … Yn）提前存儲(chǔ)在鎖存器中。
當(dāng)?shù)赬行被選通后，上述的Y1-Yn信號(hào)同時(shí)加載到像素上[3]。這種驅(qū)動(dòng)方式可以降低列驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，增加顯示畫(huà)面的亮度和質(zhì)量。但仍然無(wú)法克服無(wú)源選址驅(qū)動(dòng)方式的天生缺陷：連線龐雜，易串?dāng)_，像素選通信號(hào)無(wú)法保存等。而有源選址驅(qū)動(dòng)方式為上述困難提供了良好的解決方案。
什么是AM驅(qū)動(dòng)模式？
在有源選址驅(qū)動(dòng)電路中，每個(gè)Micro-LED像素有其對(duì)應(yīng)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電流由驅(qū)動(dòng)晶體管提供。基本的有源矩陣驅(qū)動(dòng)電路為雙晶體管單電容（2T1C：2 Transistor 1 Capacitor）電路，如圖2所示[4]。
圖2 有源選址驅(qū)動(dòng)方式
每個(gè)像素電路中使用至少兩個(gè)晶體管來(lái)控制輸出電流，T1為選通晶體管，用來(lái)控制像素電路的開(kāi)或關(guān)。T2是驅(qū)動(dòng)個(gè)晶體管，與電壓源聯(lián)通并在一場(chǎng)（Frame）的時(shí)間內(nèi)為Micro-LED提供穩(wěn)定的電流。
該電路中還有一個(gè)存儲(chǔ)電容C1來(lái)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信號(hào)（Vdata）。當(dāng)該像素單元的掃描信號(hào)脈沖結(jié)束后，存儲(chǔ)電容仍能保持驅(qū)動(dòng)晶體管T2柵極的電壓，從而為Micro-LED像素源源不斷的驅(qū)動(dòng)電流，直到這個(gè)Frame結(jié)束。
2T1C驅(qū)動(dòng)電路只是有源選址Micro-LED的一種基本像素電路結(jié)構(gòu)，它結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單并易于實(shí)現(xiàn)。但由于其本質(zhì)是電壓控制電流源（VCCS），而Micro-LED像素是電流型器件，所以在顯示灰度的控制方面會(huì)帶來(lái)一定的難度，這一點(diǎn)我們?cè)诤竺娴摹禡icro-LED的彩色化與灰階》部分中會(huì)討論。
劉召軍博士課題組曾提出一種4T2C的電流比例型Micro-LED像素電路，采用電流控制電流源（CCCS）的方式，在實(shí)現(xiàn)灰階方面具有優(yōu)勢(shì)[5]。
什么是“半有源”選址驅(qū)動(dòng)方式
另外需要提及的是一種 “半有源”選址驅(qū)動(dòng)方式[6]。這種驅(qū)動(dòng)方式采用單晶體管作為Micro-LED像素的驅(qū)動(dòng)電路（如圖3所示），從而可以較好地避免像素之間的串?dāng)_現(xiàn)象。
三大驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比
與無(wú)源選址相比，有源選址方式有著明顯的優(yōu)勢(shì)，更加適用于Micro-LED這種電流驅(qū)動(dòng)型發(fā)光器件。現(xiàn)詳細(xì)分析如下：
① 有源選址的驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)更大面積的驅(qū)動(dòng)。而無(wú)源選址的驅(qū)動(dòng)能力受外部集成電路驅(qū)動(dòng)性能的影響，驅(qū)動(dòng)面積于分辨率受限制。
② 有源選址有更好的亮度均勻性和對(duì)比度。在無(wú)源選址方式中，由于外部驅(qū)動(dòng)集成電路驅(qū)動(dòng)能力的有限，每個(gè)像素的亮度受這一列亮起像素的個(gè)數(shù)影響。一般來(lái)說(shuō)，同一列的Micro-LED像素共享外部驅(qū)動(dòng)集成電路的一個(gè)或多個(gè)輸出引腳的驅(qū)動(dòng)電流。
所以，當(dāng)兩列中亮起的像素個(gè)數(shù)不一樣的時(shí)，施加到每個(gè)LED像素上的驅(qū)動(dòng)電流將會(huì)不一樣，不同列的亮度就會(huì)差別很大。這個(gè)問(wèn)題將會(huì)更加嚴(yán)重地體現(xiàn)在大面積顯示應(yīng)用中，如LED電視與LED大屏幕等。同時(shí)隨著行數(shù)和列數(shù)的增加，這個(gè)問(wèn)題也會(huì)變得更嚴(yán)峻。
③ 有源選址可實(shí)現(xiàn)低功耗高效率。大面積顯示應(yīng)用需要比較大的像素密度，因此就必須盡可能減小電極尺寸，而驅(qū)動(dòng)顯示屏所需的電壓也會(huì)極大的上升，大量的功率將損耗在行和列的掃描線上，從而導(dǎo)致效率低下。
④ 高獨(dú)立可控性。無(wú)源選址中，較高的驅(qū)動(dòng)電壓也會(huì)帶來(lái)第二個(gè)麻煩，即串?dāng)_，也就是說(shuō)，在無(wú)源選址LED陣列中，驅(qū)動(dòng)電流理論上只從選定的LED像素通過(guò)，但周?chē)钠渌袼貙?huì)被電流脈沖影響，最終也會(huì)降低顯示質(zhì)量。有源選址方式則通過(guò)由選通晶體管和驅(qū)動(dòng)晶體管構(gòu)成的像素電路很好的避免了這種現(xiàn)象。
⑤ 更高的分辨率。有源選址驅(qū)動(dòng)的更適用于高PPI高分辨率的Micro-LED顯示。
而第三種“半有源”驅(qū)動(dòng)雖然可以較好地避免像素之間的串?dāng)_現(xiàn)象，但是由于其像素電路中沒(méi)有存儲(chǔ)電容，并且每一列的驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)需要單獨(dú)調(diào)制，并不能完全達(dá)到上面列出的有源選址驅(qū)動(dòng)方式的全部?jī)?yōu)勢(shì)。
以藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)的藍(lán)光Micro-LED為例，像素和驅(qū)動(dòng)晶體管T2的連接方式有圖4所示的4種。但由于LED外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)是p型氮化鎵（GaN）在最表面而n型氮化鎵在底層，如圖5所示。
從制備工藝角度出發(fā)驅(qū)動(dòng)晶體管的輸出端與Micro-LED像素的p電極連接較為合理，即圖4中的（a）和（c）。圖4（a）中Micro-LED像素連接在N型驅(qū)動(dòng)晶體管的源極（Source）。由外延生長(zhǎng)（Epitaxial Growth）、制備工藝、及器件老化所產(chǎn)生的不均勻性所導(dǎo)致的Micro-LED電學(xué)特性的不均勻性將會(huì)直接影響驅(qū)動(dòng)晶體管的VGS，從而造成顯示圖像的不均勻。
而圖4（c）中的Micro-LED像素連接在P型驅(qū)動(dòng)晶體管的漏極（Drain），可以避免上述影響，其電流-電壓關(guān)系圖6所示。因此，有P管像素電路驅(qū)動(dòng)Micro-LED較為適宜。
圖6 Micro-LED與驅(qū)動(dòng)晶體管的電流-電壓關(guān)系
MicroLED的真正技術(shù)難點(diǎn)
截止今日，LED都沒(méi)有被用作為小間距顯示屏中的直接發(fā)光元件，即像素。這種現(xiàn)象是由許多問(wèn)題造成的，包括成本和制造可行性。但是，使用MicroLED和亞毫米像素間距生產(chǎn)顯示屏的想法可以追溯到LED起步時(shí)期。
在過(guò)去五年中，開(kāi)發(fā)基于MicroLED的顯示器興趣大增，尤其是2014年蘋(píng)果公司收購(gòu)Luxvue之后。去年10月，F(xiàn)acebook收購(gòu)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)公司Oculus；而今年5月，夏普收購(gòu)了另外一家MicroLED的新創(chuàng)公司eLux，以及最近Google注資瑞典Micro LED制造商Glo。
鑒于這些收購(gòu)，證明microLED不只僅是停留在實(shí)驗(yàn)室。那么，這些大品牌為什么對(duì)這項(xiàng)技術(shù)這么感興趣呢？因?yàn)閙icroLED可以將獨(dú)立的紅色、綠色和藍(lán)色子像素作為獨(dú)立可控的光源，能夠形成具有高對(duì)比度、高速和寬視角的顯示器。
事實(shí)上，MicroLED顯示器比OLED的對(duì)手要強(qiáng)很多，因?yàn)镸icroLED有更寬的色域、帶來(lái)更高的亮度、更低的功耗、更長(zhǎng)的使用壽命、更強(qiáng)的耐用性和更好的環(huán)境穩(wěn)定性。此外，如蘋(píng)果最近的專(zhuān)利文件所示，MicroLED可以集成傳感器和電路，實(shí)現(xiàn)具有嵌入式感測(cè)功能的薄型顯示器，如指紋識(shí)別和手勢(shì)控制。
雖然MicroLED仍然還未進(jìn)入市場(chǎng)，但是它們還不只是停留在紙上的想法。在2012年1月的“International CES”上，索尼就展出了1920×1080像素的55英寸MicroLED顯示器，包含620萬(wàn)個(gè)子像素，每個(gè)都是可獨(dú)立控制的MicroLED芯片，受到媒體的強(qiáng)烈關(guān)注。但是，索尼對(duì)于商業(yè)化還沒(méi)有給出時(shí)間表，到目前為止，沒(méi)有一臺(tái)microLED電視機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)。
MicroLED本質(zhì)上是一項(xiàng)很復(fù)雜的技術(shù)
今天，MicroLED還沒(méi)有一個(gè)普遍認(rèn)可的定義。但是，一般來(lái)說(shuō)，MicroLED被認(rèn)為是總表面小于2500 mm2的LED芯片。這相當(dāng)于是50mm×50mm的正方形，或直徑為55mm的圓形芯片。 根據(jù)這一定義，microLED今天已經(jīng)出現(xiàn)在市場(chǎng)上了： 索尼在2016年再次亮相，采用小間距大型LED視頻墻的形式，傳統(tǒng)的LED封裝由MicroLED替代。
制造MicroLED顯示器的技術(shù)涉及方方面面：將LED基板加工成準(zhǔn)備用于拾取和轉(zhuǎn)移到接收基板的MicroLED陣列，用于集成到非均勻集成的系統(tǒng)中：顯示器。顯示器又集成LED、像素驅(qū)動(dòng)晶體管、光學(xué)器件等。外延片可容納數(shù)億MicroLED芯片。
實(shí)現(xiàn)Microled顯示屏有兩個(gè)主要選項(xiàng)。一個(gè)是將MicroLED單獨(dú)或分組地拾取并轉(zhuǎn)移到薄膜晶體管驅(qū)動(dòng)矩陣上，這類(lèi)似于OLED顯示器中使用的；另一個(gè)是使用CMOS驅(qū)動(dòng)電路將數(shù)十萬(wàn)個(gè)MicroLED的完整單片陣列組合起來(lái)。
如果采用這兩種方法中的第一種，則組裝一個(gè)4K顯示器需要拾取、放置和單獨(dú)連接2500萬(wàn)個(gè)MicroLED芯片（假設(shè)沒(méi)有像素冗余）到晶體管背板。用傳統(tǒng)的拾放設(shè)備操縱這樣的小型設(shè)備，每小時(shí)的加工速度約為25,000個(gè)單位。這太慢了， 組裝單個(gè)顯示器將需要一個(gè)月的時(shí)間。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，像蘋(píng)果、X-Celeprint等數(shù)十家公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出大規(guī)模的并聯(lián)抓取技術(shù)。他們可以同時(shí)加工數(shù)萬(wàn)到數(shù)百萬(wàn)的MicroLED。但是，當(dāng)MicroLED尺寸僅為10μm時(shí)，以足夠的精度加工和放置非常具有挑戰(zhàn)性。
還有一些與LED芯片相關(guān)的問(wèn)題要克服。當(dāng)其尺寸非常小時(shí)，其性能會(huì)受到與表面和內(nèi)部缺陷（例如開(kāi)放式粘合、污染和結(jié)構(gòu)損壞）相關(guān)的側(cè)壁效應(yīng)的影響。這些缺陷導(dǎo)致非輻射載體重組加速。側(cè)壁效應(yīng)可以延伸到類(lèi)似于載體擴(kuò)散長(zhǎng)度的距離（通常為1mm至10mm）：這在傳統(tǒng)的LED中并不重要，因?yàn)槠渚哂袛?shù)百微米的邊緣，但在MicroLED中卻是十分致命的。在這些設(shè)備中，它可以限制芯片整個(gè)體積的效率。
由于這些缺陷，MicroLED的峰值效率通常低于10％，當(dāng)設(shè)備尺寸低于5mm時(shí)，它的峰值效率可能小于1％，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前最好的傳統(tǒng)藍(lán)光發(fā)射的“macro”LED，它現(xiàn)在可以產(chǎn)生超過(guò)70％的外部量子峰值效率。
更糟的是，MicroLED通常必須以非常低的電流密度運(yùn)行。它們通常在低于1-10 A cm-2峰值效率區(qū)域驅(qū)動(dòng)，因?yàn)榧词乖谶@種低效率下，LED也是非常明亮的。如果一臺(tái)帶MicroLED的手機(jī)以其最高效率運(yùn)行，其顯示屏將提供高達(dá)數(shù)以萬(wàn)計(jì)nits的亮度，比目前市場(chǎng)上更亮的手機(jī)高出一個(gè)級(jí)別。屏幕會(huì)很亮，以至于膽大的用戶都不敢看。
當(dāng)LED以非常低的電流密度工作時(shí)，它們的效率非常低，使得該技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)其削減能量消耗的承諾。因此，解決這個(gè)問(wèn)題就成為MicroLED公司的優(yōu)先事項(xiàng)。提高效率的辦法包括引入新的芯片設(shè)計(jì)和改進(jìn)制造技術(shù)。這兩種方法都可以減少側(cè)壁缺陷并使電載體遠(yuǎn)離芯片的邊緣。
MicroLEDs的開(kāi)發(fā)人員也面臨與色彩轉(zhuǎn)換、光提取和光束成形有關(guān)的挑戰(zhàn)。
現(xiàn)代顯示屏的另一個(gè)要求就是消除壞點(diǎn)或有缺陷的像素。在外延、芯片制造和轉(zhuǎn)移方面實(shí)現(xiàn)100％的綜合收益率是不太可能的，所以MicroLED顯示器制造商必須制定有效的缺陷管理策略，可以包括像素冗余和單個(gè)像素修復(fù)，這得取決于顯示器的特性和成本。
目前MicroLED最容易實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域
MicroLED能夠部署在從最小到最大的任何顯示應(yīng)用中。在許多情況下，它們將比LCD和OLED顯示器的最終組合更好。但是，生產(chǎn)可行性和經(jīng)濟(jì)成本限制了其使用。然而，詳細(xì)的分析表明，智能手表和其他可穿戴產(chǎn)品，如AR / MR應(yīng)用的微型顯示器，最能顯示MicroLED顯示器的性能。
其中，在智能手表上實(shí)現(xiàn)MicroLED是最有可能的，因?yàn)橹悄苁直砭哂邢鄬?duì)較少的像素?cái)?shù)和中等范圍的像素密度，因此，芯片和組裝成本效率高，也最接近MicroLED當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的狀態(tài)。它們具有潛在的差異化功能，包括能夠延長(zhǎng)電池壽命、降低功耗以及更高的亮度，從而提供戶外環(huán)境下良好的可讀性。
如果這些顯示器開(kāi)始大量出現(xiàn)，那么在顯示器前端平面內(nèi)可引入各種傳感器，例如可以讀取指紋并提供手勢(shì)識(shí)別。
MicroLED的另一個(gè)主要機(jī)會(huì)就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）的頭戴式顯示器。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，用戶佩戴完全封閉的頭戴式顯示器將其與外界視覺(jué)隔離；而AR和MR應(yīng)用則將計(jì)算機(jī)生成的圖像覆蓋到現(xiàn)實(shí)世界中。
MicroLED顯示器是通過(guò)將晶片切割成微小器件，并以并行拾取和放置技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到晶體管底板
這些應(yīng)用的要求之一是，覆蓋的圖像要足夠亮，可與環(huán)境光競(jìng)爭(zhēng)，特別是在戶外應(yīng)用中。
為了滿足這些條件，顯示器必須放在不引人注意的位置，使用光學(xué)效率小于10％的復(fù)合投影或波導(dǎo)光學(xué)器件將圖像投影到眼睛上。這些要求決定了顯示器的亮度范圍從10,000到50,000 Nits，這比市場(chǎng)上最好的手機(jī)的亮度高出10倍到50倍。
今天，MicroLED是唯一有潛力提供這些亮度水平的候選，同時(shí)保持合理的功耗和緊湊性。令人鼓舞的是，同樣的推理可以應(yīng)用于汽車(chē)和其他環(huán)境中的平視顯示器中，這類(lèi)顯示器可以被認(rèn)為是AR的一種形式。
MicroLED想努力產(chǎn)生影響的市場(chǎng)就是智能手機(jī)。目前，OLED顯示器已經(jīng)以非常有競(jìng)爭(zhēng)力的成本提供了非常出色的性能。如果MicroLED也參與其中，則子像素的尺寸必須減小到幾微米，這樣的話，提供可接受的效率會(huì)更難。
在電視上取得成功的可能則更高。在這種情況下，缺點(diǎn)是像素密度相對(duì)較低，在4K、55英寸電視中的間距約為100毫米。低密度阻礙了轉(zhuǎn)移技術(shù)的效率，因?yàn)槊總€(gè)周期需要移動(dòng)數(shù)千個(gè)芯片，而智能手機(jī)或智能手表則是數(shù)十萬(wàn)個(gè)。想在這個(gè)市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展，就需要開(kāi)發(fā)替代的高效率裝配技術(shù)。
Micro LED核心技術(shù)在誰(shuí)手里？
在Micro LED的生產(chǎn)過(guò)程中，由于元件的微縮，有許多問(wèn)題尚待克服或改善，而制程中轉(zhuǎn)移技術(shù)則是產(chǎn)品能否量產(chǎn)且達(dá)商業(yè)產(chǎn)品之標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。
依據(jù)顯示基板尺寸不同，大致可分二種轉(zhuǎn)移形式，第一種是小尺寸顯示基板，使用半導(dǎo)體制程整合技術(shù)，將LED直接鍵結(jié)于基板上，技術(shù)代表廠商為臺(tái)工研院，第二種是用于大尺寸（或無(wú)尺寸限制）的顯示基板，使用pick-and-place的技術(shù)，將Micro LED陣列上的畫(huà)素分別轉(zhuǎn)移到背板上，代表廠商為Apple (LuxVue)、X-Celeprint等，其他廠商例如Sony、eLux等亦有相關(guān)轉(zhuǎn)移技術(shù)。
Micro LED相關(guān)專(zhuān)利介紹
♦ 臺(tái)工業(yè)技術(shù)研究院
(A) 專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)光元件的轉(zhuǎn)移方法以及發(fā)光元件陣列
公告號(hào)：TW I521690
優(yōu)先權(quán)：US 61/511,137
此篇專(zhuān)利系有關(guān)發(fā)光元件的轉(zhuǎn)移方法，步驟為先于基板1上形成多個(gè)LED陣列之排列，一個(gè)陣列為一種顏色的LED，例如圖1中紅光、綠光、藍(lán)光各自為一陣列。
轉(zhuǎn)移過(guò)程需要透過(guò)多次焊接步驟，依序?qū)⒒?上的LED移轉(zhuǎn)到基板2的預(yù)定位置，所以如圖2所示，每次焊接前先用保護(hù)層蓋住沒(méi)有要移轉(zhuǎn)的LED，再將要移轉(zhuǎn)的LED之導(dǎo)電凸塊與基板2的接墊接合，最后基板1的LED將全數(shù)轉(zhuǎn)移到基板2上。
圖1. 專(zhuān)利TW I521690之圖3（圖片來(lái)源：TIPO）
圖2. 專(zhuān)利TW I521690之圖H-J（圖片來(lái)源：TIPO）
在這篇專(zhuān)利中似乎沒(méi)有特別提及LED的尺寸或是與Micro LED相關(guān)的字詞，但在其具有相同優(yōu)先權(quán)的美國(guó)的對(duì)應(yīng)案中，有提到發(fā)光元件為1至100微米，而間距(pitch)則可依實(shí)際產(chǎn)品之需求而調(diào)整，如圖3中說(shuō)明書(shū)內(nèi)文以及表格所示。
圖3. 專(zhuān)利US 14/583594（圖片來(lái)源： USPTO）
(B) 專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)光元件以及顯示器的制作方法
公告號(hào)：TW I590433
這件臺(tái)工研院的專(zhuān)利也是有關(guān)Micro LED的制造技術(shù)，但其方法與上一篇截然不同。首先，在基板上形成LED陣列，其中半導(dǎo)體磊晶結(jié)構(gòu)、第一電極以及第二電極構(gòu)成發(fā)光二極管芯片，而發(fā)光元件包含發(fā)光二極管芯片及球狀延伸電極，完成后將發(fā)光元件從基板移除。
接著透過(guò)噴嘴將發(fā)光元件噴出，借由發(fā)光元件與噴嘴的磨擦，使球狀延伸電極帶有靜電電荷，而接收基板的接點(diǎn)則透過(guò)電路結(jié)構(gòu)傳送電訊號(hào)使其亦帶有靜電電荷，在說(shuō)明書(shū)的實(shí)施例中球狀延伸電極帶有正電荷而接點(diǎn)則帶有負(fù)電荷。
如圖4所示，透過(guò)例如搖篩的方式，使發(fā)光元件落入接收基板的開(kāi)孔中，由于球狀延伸電極的體積大于發(fā)光二極管芯片的體積，因此在落下的過(guò)程中，發(fā)光元件的球狀延伸電極轉(zhuǎn)向下落入孔中與皆點(diǎn)接觸。
圖4. 專(zhuān)利TW I590433之圖P、S、T（圖片來(lái)源：TIPO）
♦ Apple (LuxVue)
LuxVue在2014被Apple并購(gòu)，其所擁有的Micro LED相關(guān)專(zhuān)利是眾家廠商中最多的，在轉(zhuǎn)移技術(shù)上其主要是采用靜電吸附的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)。
專(zhuān)利名稱(chēng)：Micro device transfer head array
公告號(hào)：US 9548233 B2
為了達(dá)到更好的轉(zhuǎn)移效率，使用巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)的廠商不斷開(kāi)發(fā)出各式各樣的轉(zhuǎn)移頭，而Apple這篇專(zhuān)利的特殊之處在于其轉(zhuǎn)移頭具有雙極的結(jié)構(gòu)，可以分別施予正負(fù)電壓。
轉(zhuǎn)移頭的平臺(tái)結(jié)構(gòu)被介電層對(duì)半分離形成一對(duì)硅電極，當(dāng)要抓取基板上的LED時(shí)，對(duì)一硅電極通正電，對(duì)另一硅電極通負(fù)電即可將目標(biāo)LED拾取。
圖5. US 9548233的Figs. 1B, 34, 35（圖片來(lái)源：USPTO）
♦ X-Celeprint
專(zhuān)利名稱(chēng)：Micro device transfer head array
公開(kāi)號(hào)：US 2017-0048976 A1
X-Celeprint的巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)Micro-Transfer-Printing (μTP)是用壓印頭在LED上施壓，利用凡得瓦力讓LED附著在壓印頭上后，再?gòu)膩?lái)源基板上將其拾取，移至目標(biāo)基板上的預(yù)定位置上后，壓印頭連同LED壓向目標(biāo)基板，使LED上的連接柱插入背板接觸墊后完成LED轉(zhuǎn)移。
圖6. 專(zhuān)利US2017-0048976之Figs. 5-6（圖片來(lái)源：USPTO）
♦ eLux
據(jù)報(bào)導(dǎo)，鴻海將收購(gòu)Micro LED新創(chuàng)公司eLux，該公司在專(zhuān)利上有二點(diǎn)值得注意。首先是其轉(zhuǎn)移技術(shù)與市場(chǎng)主流不同，其次是其在美國(guó)申請(qǐng)的專(zhuān)利，利用CIP方式大量串接Sharp與自己的專(zhuān)利(如圖8所示)。
專(zhuān)利名稱(chēng)：System and Method for the Fluidic Assembly of Emissive Displays
公開(kāi)號(hào)：2017-0133558 A1
eLux的轉(zhuǎn)移技術(shù)是利用刷桶在基板上滾動(dòng)，液體懸浮液中含有LED，進(jìn)而讓LED落入基板上的對(duì)應(yīng)井中。
圖7. 專(zhuān)利US2017-0048976之Figs. 5-6（圖片來(lái)源：USPTO）
圖8. eLux美國(guó)專(zhuān)利狀態(tài)（圖片來(lái)源：USPTO）
準(zhǔn)分子激光器提升Micro-LED制造工藝
于無(wú)機(jī) III-V 半導(dǎo)體（例如 GaN）的 Micro-LED (µLED) 可用于制造電效率、亮度、像素密度、使用壽命和應(yīng)用范圍遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)的顯示屏，前景可觀。然而，要實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前 LED 器件（約 200 µm）到 µLED（約 20 µm）的過(guò)渡，必須有技術(shù)創(chuàng)新的支撐，尤其是實(shí)現(xiàn) µLED 顯示屏組裝方面的創(chuàng)新。本文將介紹如何通過(guò)準(zhǔn)分子激光器解決此加工過(guò)程中最為棘手的兩個(gè)難題。
激光剝離技術(shù) (LLO)
由于藍(lán)寶石晶片的晶格失配度和成本均相對(duì)較低，因此當(dāng)前大多數(shù) LED 制造工藝采用藍(lán)寶石晶片作為 MOCVD 晶體生長(zhǎng)的基板。但由于藍(lán)寶石的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性較差，會(huì)限制可提取的光通量，因此藍(lán)寶石并非成品 GaN LED 的理想載體材料。其結(jié)果導(dǎo)致，在生產(chǎn)高亮度 GaN LED 的過(guò)程中，最后需要添加一步操作，將器件粘合到最終或臨時(shí)載體上，然后再將器件與“犧牲層”藍(lán)寶石基板分離。對(duì)于 µLED 而言，為了制造組成柔性顯示屏的小尺寸薄型器件，顯然必須去除藍(lán)寶石基板。
圖1. 通過(guò)激光剝離技術(shù)去除藍(lán)寶石基板的流程示意圖 a) 器件晶體生長(zhǎng)并附著到載體基板 b) 激光束穿透藍(lán)寶石基板 c) 去除藍(lán)寶石基板
利用準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行激光剝離是去除藍(lán)寶石基板的最常用方法。在加工過(guò)程中，高強(qiáng)度激光脈沖會(huì)穿透藍(lán)寶石基板（波長(zhǎng) 248 nm 的準(zhǔn)分子激光束可以穿透），直接照射到 LED 晶片上。同時(shí)，GaN 層大量吸收紫外光，并有很薄的一層分解成鎵和氮?dú)狻Ｋ纬傻臍鈮簳?huì)把器件推離基板，在幾乎不對(duì)器件產(chǎn)生任何作用力的情況下實(shí)現(xiàn)器件與基板的分離。鎵可以用水或稀鹽酸洗掉，以保持器件表面的清潔。
除波長(zhǎng)外，準(zhǔn)分子激光器的另外一個(gè)重要特性是脈沖短（約 10-20 ns），這有助于抑制熱擴(kuò)散并最大限度降低器件的熱負(fù)荷。此外，準(zhǔn)分子激光器輸出的激光可以形成沿兩個(gè)軸能量均勻分布的細(xì)長(zhǎng)光束（平頂光束）。（圖 2）例如，相干公司 UVblade 系統(tǒng)提供的 155 mm x ~0.5 mm 光束的能量均勻度優(yōu)于 2% 標(biāo)準(zhǔn)方差（sigma）。如此一來(lái)，所有加工區(qū)域?qū)⒔邮芟嗤易罴训哪芰客浚瑥亩苊庠诩庸み^(guò)程中遇到能量過(guò)沖或過(guò)大熱負(fù)荷的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題在能量強(qiáng)度呈高斯分布的其他激光加工中經(jīng)常出現(xiàn)。
圖2. UVblade (248 nm) 的 155 mm 激光束輪廓，含短軸 (SA) 和長(zhǎng)軸 (LA)。
請(qǐng)注意，兩個(gè)軸刻度的差異達(dá)到了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
準(zhǔn)分子 LLO 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單脈沖過(guò)程，因此對(duì)激光束均勻度和穩(wěn)定性的要求極高。激光器制造商相干公司已開(kāi)發(fā)了能夠滿足這一需求的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品提供卓越的脈沖穩(wěn)定性（例如 < 1% rms），能夠大大提高加工過(guò)程中的工藝控制并幫助用戶增大工藝區(qū)間。
圖3. 配備 LEAP 準(zhǔn)分子激光器和光束光學(xué)元件的 UVblade LLO 系統(tǒng)。
作業(yè)過(guò)程中，準(zhǔn)分子激光器光束掃掠基板，通過(guò)照射整個(gè)加工區(qū)域?qū)崿F(xiàn)器件分離。如果要重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)能，線束會(huì)相應(yīng)調(diào)整，從而在單次掃描中完整覆蓋藍(lán)寶石晶片（2"、4" 或 6"）。這種方法需要中等強(qiáng)度激光（例如 50 到 100 W）。有效熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致的薄膜內(nèi)應(yīng)力會(huì)均勻釋放，從而進(jìn)一步降低對(duì)器件的影響。因此，這種 248 nm 方法是實(shí)現(xiàn) LLO 最常用的方法。
另外一種LLO策略是使用尺寸較小的光束和光柵掃描整個(gè)晶片。如，相干公司有一種 UVblade 系統(tǒng)產(chǎn)生長(zhǎng)26mm，寬 0.5 mm 的光束，僅需掃描兩次即可覆蓋2"晶片。這種典型系統(tǒng)僅需要功率30W，波長(zhǎng)248 nm的激光。光柵掃描方法需要在掃描方向上實(shí)現(xiàn)單次照射的受控重疊，以及掃描之間的重疊。
激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移 (LIFT)
組裝包含數(shù)百萬(wàn)µLED芯片的高分辨率顯示屏面臨獨(dú)特的難題。在這個(gè)領(lǐng)域，248nm準(zhǔn)分子激光器同樣是將GaN從原始載體精準(zhǔn)剝離的理想選擇。生成的氮?dú)鈺?huì)膨脹并在µLED結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生機(jī)械力，從而把芯片從原始載體推向接收基板。通過(guò)結(jié)合使用大截面光束、掩膜板和投影光學(xué)元件，只需一次激光照射即可并行傳送多達(dá)1000個(gè)芯片。
該工藝還有另外一種方式，使用聚合物粘合劑把µLED預(yù)先組裝在臨時(shí)載體晶片或膠帶上。這些粘合劑極易吸收紫外線。在準(zhǔn)分子激光的照射下，粘合劑會(huì)發(fā)生光化學(xué)分解反應(yīng)，從而與µLED芯片分離并產(chǎn)生把芯片推向接收基板的作用力。照射聚合物膠帶或粘合劑所需的能量強(qiáng)度可能只有LLO所需能量的二十分之一到五分之一。這意味著只需中等強(qiáng)度的激光，就可以達(dá)到非常高的處理速度。
圖4. µLED 組裝流程（使用 LLO 和 LIFT）示意圖。
總之，在顯示屏加工準(zhǔn)分子激光退火 (ELA) 和高亮度 LED 激光剝離 (LLO) 領(lǐng)域有著良好表現(xiàn)的準(zhǔn)分子激光器，在新興的 µLED 領(lǐng)域也展現(xiàn)出了巨大潛力。準(zhǔn)分子激光器擁有紫外線波長(zhǎng)短、脈沖短、高能量、高功率等特性，這讓它與 LED 制造領(lǐng)域常用的 III-V 材料極為契合。尤其是 248 nm 準(zhǔn)分子激光器，能夠打破該應(yīng)用領(lǐng)域目前使用的 266 nm 或 213 nm 固態(tài)激光器在性能方面的限制。這能夠推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率、高性?xún)r(jià)比的工藝策略。
韓KIMM研發(fā)Micro LED量產(chǎn)制造新技術(shù)卷軸轉(zhuǎn)移工藝
韓國(guó)未來(lái)創(chuàng)造科學(xué)部轄下的韓國(guó)機(jī)械材料研究院(KIMM)7月24日宣布，該研究所在全球首次采用“卷軸轉(zhuǎn)移工藝（roll transfer process）”研發(fā)Micro LED面板制造技術(shù)。
該研究所的納米應(yīng)用力學(xué)團(tuán)隊(duì)利用卷軸轉(zhuǎn)移工藝研發(fā)了“Micro LED面板”生產(chǎn)技術(shù)，發(fā)光效率提高三倍，功耗降低50％。利用這一研究成果，有望實(shí)現(xiàn)Micro led顯示屏制造，比制造傳統(tǒng)LED顯示器快10,000倍。
卷對(duì)卷轉(zhuǎn)移工藝是韓國(guó)機(jī)械和材料研究所的專(zhuān)利技術(shù)，將TFT元件拾起并放置在所需的基板上，再將LED元件拾起并放置在放有TFT元件的基板上，從而完成結(jié)合了兩大要素的有源矩陣型Micro LED面板。
隨著生產(chǎn)步驟的減少，生產(chǎn)速度大大提高。目前用于制造傳統(tǒng)led顯示屏的固晶機(jī)每秒可在基板上貼裝1到10個(gè)LED，但是通過(guò)滾動(dòng)轉(zhuǎn)移技術(shù)，每秒可以轉(zhuǎn)移10,000余個(gè)LED。通過(guò)目前的方法生產(chǎn)全高清200萬(wàn)像素的100英寸數(shù)字標(biāo)牌需要30多天，但滾動(dòng)轉(zhuǎn)移工藝可以在一個(gè)小時(shí)內(nèi)完成整個(gè)過(guò)程，并大大降低了加工成本。
X-Celeprint制作Micro LED陣列的μTP技術(shù)
μTP技術(shù)最初是由美國(guó)Illinois University的John A. Rogers等人利用犧牲層濕蝕刻和PDMS轉(zhuǎn)貼的技術(shù)，將Micro LED轉(zhuǎn)貼至可撓式基板或玻璃基板上來(lái)制作Micro LED陣列的技術(shù)，該技術(shù)于2006年Spin-out給Semprius公司，而2013年X-Celeprint獲得Semprius技術(shù)授權(quán)，并于2014年初開(kāi)始正式運(yùn)營(yíng)。
什么是μTP技術(shù)
μTP技術(shù)，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，就是使用彈性印模（stamp）結(jié)合高精度運(yùn)動(dòng)控制打印頭，有選擇的拾取（pick-up）微型元器件的陣列，并將其打印（printing）到目標(biāo)基板上。
具體來(lái)說(shuō)就是，首先在“源”晶圓上制作微型芯片，然后通過(guò)移除半導(dǎo)體電路下面的犧牲層（sacrificial layer）進(jìn)行“釋放”（Release），使微型芯片脫離原來(lái)的基板。隨后，用一個(gè)與“源”晶圓相匹配的微結(jié)構(gòu)彈性印模來(lái)拾取微型芯片，并將其轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基板上。
該技術(shù)可以通過(guò)改變打印頭的速度，選擇性地調(diào)整彈性印模和被轉(zhuǎn)移器件之間的黏附力，從而準(zhǔn)確地控制裝配工藝。當(dāng)印模移動(dòng)較快時(shí)黏附力增大，從而使被轉(zhuǎn)移元件脫離源基板；相反地，當(dāng)印模遠(yuǎn)離鍵合界面且移動(dòng)較慢時(shí)，黏附力變得很小，被打印元件便會(huì)脫離印模，然后被轉(zhuǎn)印在目標(biāo)基板。
上文提到的印模可以通過(guò)定制化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單次拾取和打印多個(gè)器件，從而短時(shí)間內(nèi)高效的轉(zhuǎn)移成千上萬(wàn)個(gè)器件，因此這項(xiàng)工藝流程可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行處理。
μTP技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中的工藝流程
微轉(zhuǎn)印工藝流程：圖1：彈性印模接近晶圓；圖2：彈性印模拾起芯片；圖3：彈性印模接近目標(biāo)基板；圖4：印模將芯片“印刷”（放置）在目標(biāo)基板上
據(jù)X-celeprint此前表示，該技術(shù)已經(jīng)在眾多“可印刷”微型器件中得到驗(yàn)證，包括激光器、LED、太陽(yáng)能電池和各種材料（硅、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵和包括金剛石在內(nèi)的介電薄膜）的集成電路。
基于GaAs的紅色microLED印刷案例
μTP技術(shù)轉(zhuǎn)印器件的原理過(guò)程
大多數(shù)情況下，需要轉(zhuǎn)印的半導(dǎo)體器件首先會(huì)從“源”晶圓上得到釋放，該方法利用了器件層下方的犧牲層（sacrificial layer）。
絕緣體上硅（SOI）晶圓的結(jié)構(gòu)是在一層1微米厚的氧化層（Box: Barrier Oxide）上面制備一層5微米厚的單晶硅層。然后在單晶硅層上面采用標(biāo)準(zhǔn)SOI晶體管加工工藝制備各種器件和集成電路。不難看出SOI晶圓的氧化層可以作為天然的犧牲層，所以它將會(huì)是一種非常方便、隨時(shí)可用的“源”晶圓。
簡(jiǎn)單介紹一下SOI加工工藝：
首先按照CMOS工藝標(biāo)準(zhǔn)，用光刻和刻蝕的工藝對(duì)SOI晶圓表面的單晶硅層進(jìn)行圖形化，露出下面的Box層。然后對(duì)圖形化后的單晶硅進(jìn)行封裝保護(hù)。用氫氟酸刻蝕去除器件下方的BOx層，在此過(guò)程中ILD和布線層受到保護(hù)而不會(huì)損傷。
當(dāng)器件下方的Box層被完全去除后，器件將會(huì)從晶圓中完全脫離出來(lái)，并通過(guò)器件層中的栓繩（Tether）來(lái)進(jìn)行位置固定。在轉(zhuǎn)印期間，栓繩（Tether）可以通過(guò)可控的方式斷裂或切開(kāi)。
氮化鎵晶體管在si晶圓（111）制作而成，反應(yīng)離子刻蝕（RIE）將通過(guò)通孔穿過(guò)器件層，向下直至硅基板，實(shí)現(xiàn)單個(gè)器件的分離。在該步驟中使用了二氧化硅掩膜。通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）將氮化硅層沉積。氮化硅層不僅可以鈍化器件側(cè)壁，也可以用于錨定（Anchor）和栓繩（Tether）結(jié)構(gòu)的形成。
而在氮化鎵芯片在印刷前，先會(huì)在COMS晶圓上施以一層半導(dǎo)體薄膜級(jí)樹(shù)脂。到了微轉(zhuǎn)印完成后，底層樹(shù)脂則被固化，再通過(guò)鎢化鈦和鋁金屬疊層濺射沉積，到減厚濕法刻蝕，最終形成器件的連接。
數(shù)據(jù)來(lái)源 3qled 顯示之家
