Micro LED：突破與挑戰并存，未來顯示新霸主？

中國投影網投影資訊　中國投影網　2024-9-9 9:07:13　編輯：巧樂滋　[ 大中小 ]

LED技術自誕生以來，經歷了從固態照明電源、顯示領域的背光到LED顯示屏的多個發展階段。隨著技術的不斷進步，LED顯示屏的像素尺寸逐漸減小，但傳統的LED顯示屏在像素細膩程度、亮度、對比度等方面仍存在不足。

為了克服傳統LED顯示屏的局限性，Micro LED技術應運而生。Micro LED通過在一個芯片上集成高密度微小尺寸的LED陣列，實現了LED的薄膜化、微小化和矩陣化，其像素點距從毫米級別降至微米級別，從而顯著提升了顯示性能。

Micro LED技術，作為顯示領域的新星，正逐步走進大眾的視野。這項集高密度、高亮度、高色彩飽和度以及快速響應于一身的技術，被視為未來顯示技術的重要發展方向。然而，要真正實現大規模商業化應用，Micro LED還需跨越重重難關。

一、Micro LED技術概覽

Micro LED技術，即LED的微縮化與矩陣化技術，代表了在單個芯片上集成高密度、微小尺寸的LED陣列的創新。這一技術使得LED顯示屏的每個像素都能被定址并單獨驅動點亮，可視為戶外LED顯示屏的微縮版本，其像素點間距已從毫米級降至微米級。

而Micro LED顯示屏，則是采用標準的CMOS集成電路制造工藝在底層制作LED顯示驅動電路，隨后利用MOCVD設備在集成電路上制作LED陣列，從而實現了微型顯示屏的制造，即LED顯示屏的縮小版。

Micro LED的像素單元尺寸在100微米（P0.1）以下，并被高密度地集成在芯片上。這種微縮化設計賦予了Micro LED更高的發光亮度、分辨率與色彩飽和度，以及更快的顯示響應速度。因此，它預期能夠應用于對亮度要求較高的增強現實（AR）微型投影裝置、車用平視顯示器（HUD）投影應用、超大型顯示廣告牌等特殊顯示應用產品，并有望擴展到可穿戴/可植入器件、虛擬現實（VR）、光通訊/光互聯、醫療探測、智能車燈、空間成像等多個領域。

顧名思義，Micro LED即“微型”LED。作為一種新興顯示技術，它與其他顯示技術（如LCD、OLED、PDP）的核心區別在于其采用無機LED作為發光像素。對于“Micro”這一概念，其像素尺寸通常需達到100微米以下。

LED并非新鮮事物，作為發光二極管，其在顯示領域的應用本應水到渠成。然而，長期以來，除了戶外廣告屏上的應用外，LED顯示應用一直未能廣泛發展。

其原因在于：

▶首先，要實現手機屏/電視級別的顯示器，LED像素在尺寸上難以做小；

▶其次，LED外延晶片與顯示驅動工藝不兼容，且需考慮大尺寸顯示的問題，因此針對Micro LED需要開發合適的背板技術；

▶最后，“巨量”的三色微小LED如何轉移到已制作好驅動電路的基底上，即“巨量轉移”技術，也是決定Micro LED能否商業化的關鍵。

由于像素單元低至微米量級，Micro LED顯示產品在多項性能指標上展現出優勢。其功率消耗量僅為LCD的10%、OLED的50%，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TFT技術，在未來顯示技術演進進程中具有一定優勢。據分析，2024年Micro LED顯示的市場銷售額將達到6.94億美元，略高于Mini LED顯示。

二、顯示原理與制備工藝

Micro LED顯示原理主要涉及到LED結構的薄膜化、微小化和陣列化。

1、LED結構的薄膜化、微小化和陣列化：

①Micro LED的尺寸非常小，通常在1~10μm（微米）的等級。

②微小的LED結構被設計成陣列形式，以便在顯示屏幕上形成像素點。

2、μLED的批量式轉移：

①將這些微小的LED結構批量轉移到電路基板上。

②電路基板可以是硬性或軟性的，也可以是透明或不透明的。
3、物理沉積制程：

①在μLED上，利用物理沉積制程完成保護層的制作。

②同時，也完成上電極的制作。

4、上基板的封裝：

進行上基板的封裝，從而完成一個結構簡單的Micro LED Display。
Micro LED顯示原理是通過將LED結構設計成微小、薄膜化的形式，并將其陣列化，然后轉移到電路基板上，再通過物理沉積制程完成保護層和電極的制作，最后進行封裝，形成一個結構簡單的Micro LED顯示屏。這種顯示屏具有高分辨率、高亮度、低功耗等優點，是未來顯示技術的重要發展方向之一。

5、Micro LED典型結構

Micro LED的典型結構是一個PN接面二極管，由直接能隙半導體材料構成。這種結構使得Micro LED在顯示技術中展現出獨特的性能與優勢。以下是對Micro LED典型結構及其特性的詳細解析：

Micro LED的典型結構是一個PN接面二極管，主要由以下幾部分組成：

①P型半導體：在PN結的一側，以空穴為主要載流子。

②N型半導體：在PN結的另一側，以電子為主要載流子。

③發光層：位于P型半導體和N型半導體之間，是電子和空穴復合發光的區域。

當上下電極施加一順向偏壓于μLED時，電流通過PN結，電子從N型半導體注入到P型半導體，同時空穴從P型半導體注入到N型半導體。在發光層中，電子和空穴復合，釋放出能量并以光子的形式發出單一色光。

⑴發光特性

▶高色飽和度：Micro LED發光頻譜的主波長的半高全寬（FWHM）僅約20nm，這提供了極高的色飽和度，通常可大于120%NTSC，遠超傳統顯示技術。

▶高光電轉換效率：自2008年以來，LED的光電轉換效率大幅提高，100 lm/W以上的LED已成量產標準。這使得Micro LED在顯示應用中能夠更有效地利用電能轉化為光能。

⑵顯示優勢

▶自發光特性：Micro LED作為自發光的顯示器件，無需背光模組，從而簡化了顯示器結構，降低了能耗。

▶低能耗：由于Micro LED的自發光特性和幾乎無光耗的元件設計，其能耗僅為傳統TFT-LCD的10%~20%，這對于穿戴型裝置、手機、平板等設備尤為重要，可顯著延長電池續航力。

▶高亮度：Micro LED能夠輕易達到1000nits以上的亮度水平，遠超傳統顯示技術。這使得Micro LED在戶外、半戶外等環境光較強的場合下仍能保持優異的影像辨識度和色彩表現力。

Micro LED的典型PN接面二極管結構賦予了其高色飽和度、高光電轉換效率以及自發光、低能耗、高亮度的顯示優勢。這些特性使得Micro LED成為未來顯示技術的重要發展方向之一。

6、Micro 顯示原理

Micro LED顯示原理，特別是其像素結構和陣列驅動方式，是這一先進顯示技術的核心。

⑴像素結構

Micro LED顯示采用成熟的多量子阱LED芯片技術。以InGaN基LED芯片為例，其像素單元結構精心設計，從下往上依次為：

①藍寶石襯底層：作為外延生長的基底。

②GaN緩沖層：厚度通常為25nm，用于緩解外延生長過程中的應力。

③N型GaN層：厚度約為3μm，是電子的主要注入層。

④有源層：包含多周期量子阱（MQW），是電子和空穴復合發光的區域。

⑤P型GaN接觸層：厚度約為0.25μm，是空穴的主要注入層。

⑥電流擴展層：用于提高電流注入的均勻性。

⑦P型電極：用于與外部電路連接。

當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，并在那里發生電荷復合，復合后的能量以發光形式釋放。

⑵陣列驅動
Micro LED的像素單元通過特定的制備步驟實現矩陣化和集成化。其陣列驅動方式主要包括三種：

①被動選址驅動（PM）：

▶像素電極做成矩陣型結構。

▶每一列（行）像素的陽（陰）極共用一個列（行）掃描線。

▶通過同時選通特定的行和列掃描線來點亮對應的LED像素。

▶高速逐點（或逐行）掃描各個像素以實現整個屏幕的畫面顯示。

②主動選址驅動（AM）：

▶每個Micro LED像素有其對應的獨立驅動電路。

▶驅動電流由驅動晶體管提供。

▶基本的主動矩陣驅動電路為雙晶體管單電容電路，包括選通晶體管、驅動晶體管和存儲電容。

▶為了提高灰階等顯示能力，可以采用更復雜的主動矩陣驅動電路。

③半主動選址驅動：

▶采用單晶體管作為Micro LED像素的驅動電路。

▶可以較好地避免像素之間的串擾現象。

▶每列驅動電流信號需要單獨調制。

▶性能介于主動驅動和被動驅動之間。

Micro LED顯示原理通過其獨特的像素結構和陣列驅動方式實現了高分辨率、高亮度、低功耗和優異的色彩表現。這些特性使得Micro LED成為未來顯示技術的重要發展方向之一。

7、芯片制備
Micro LED芯片的制備是一個復雜且精細的過程，涉及到多個關鍵步驟。以下是對Micro LED芯片制備流程的詳細解析：

⑴襯底制備

①材料選擇：Micro LED芯片通常選用藍寶石（Al₂O₃）、硅（Si）或碳化硅（SiC）等材料作為襯底。藍寶石襯

因其生產技術成熟、器件質量較好且穩定性高而被廣泛應用。

②清洗處理：使用有機溶劑和酸液對襯底進行徹底清洗，以去除表面的雜質和污染物。

③圖形化處理：采用干法刻蝕技術，在清洗后的襯底上制備出圖形化藍寶石襯底，為后續的外延生長提供精確的模板。

⑵中間層制備

外延生長：利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術進行氣相外延生長。在高溫條件下，依次生長GaN緩沖層、N型GaN層、多層量子阱（MQW）和P型GaN層。這一過程中需要精確控制溫度、壓力、氣體流量等參數，以確保各層薄膜的質量和性能。

⑶臺階刻蝕

①光刻膠圖形化：在外延片表面涂覆光刻膠，并通過光刻工藝形成圖形化光刻膠掩模。

②ICP刻蝕：利用感應耦合等離子體刻蝕（ICP）工藝，通過圖形化光刻膠掩模對外延片進行刻蝕，直至達到N型GaN層。這一步驟用于定義Micro LED芯片的幾何形狀和尺寸。

⑷導電層制備

①濺射沉積：在樣品表面濺射沉積氧化銦錫（ITO）導電層。ITO具有良好的導電性和透光性，適用于Micro LED芯片的透明電極。

②光刻圖形化：通過光刻工藝對ITO導電層進行圖形化處理，形成所需的電極圖案。

⑸絕緣層制備

①PECVD沉積：利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）法沉積SiO₂絕緣層。SiO₂具有良好的絕緣性能，用于隔離不同的電極層。

②光刻與濕法刻蝕：對SiO₂絕緣層進行光刻和濕法刻蝕處理，以形成所需的絕緣結構。

⑹ 電極制備

①圖形化光刻膠：采用剝離法等方法制備出圖形化光刻膠掩模。

②電子束蒸發：在圖形化光刻膠掩模的保護下，通過電子束蒸發工藝沉積金（Au）等金屬電極材料。

③剝離工藝：利用高壓剝離機等設備對光刻膠進行剝離處理，最終得到圖形化的金屬電極。

⑺注意事項

①整個制備過程需要在超凈間環境中進行，以避免灰塵和雜質對芯片的影響。

②各工藝步驟需要嚴格控制參數，以確保芯片的性能和一致性。

③光刻和蝕刻等關鍵工藝需要使用高精度的設備和材料，以保證圖案的精度和質量。

④封裝過程需要注意封裝材料的選擇和封裝工藝的優化，以提高芯片的可靠性和光學性能。

⑤測試和篩選過程需要使用專業的測試設備和方法，以確保芯片的性能符合要求。

通過以上步驟，可以制備出高質量的Micro LED芯片，這些芯片具有微縮化、矩陣化和集成化的特點，廣泛應用于高清顯示、可穿戴設備、虛擬現實等領域。

Micro LED瓶頸——“巨量轉移”技術

Micro LED技術中的“巨量轉移”（Mass Transfer）技術是當前商業化進程中的一大瓶頸。這一技術涉及將數以百萬計甚至數千萬計的微小LED芯片精確且高效地轉移到驅動電路基底上，并實現電路連接，其難度和復雜性極高。

⑴巨量轉移技術的挑戰

①像素數量巨大：無論是TV還是手機屏幕，像素數量都非常龐大，且每個像素的尺寸極小，這對轉移效率和成功率提出了極高要求。

②顯示質量要求：顯示產品對像素錯誤的容忍度極低，任何“亮點”或“暗點”都會影響用戶體驗，因此轉移過程必須高度精確。

③技術難度高：巨量轉移技術需要克服傳統轉移技術在轉移效率和精度上的限制，同時保證轉移過程中芯片不受損傷。

⑵巨量轉移技術的流派

根據原理的不同，巨量轉移技術主要分為以下幾個流派：

①精準抓取技術：

▶原理：利用機械臂或高精度打印頭直接抓取LED芯片并放置到目標基底上。

▶代表廠商：Luxvue、Cooledge、VueReal等。

▶難點：需要高精度的對位系統和快速響應的抓取機構，以克服芯片尺寸小、數量多帶來的挑戰。

②自組裝技術：

▶原理：利用物理或化學力（如靜電力、磁力、流體力等）使LED芯片自動排列并轉移到目標基底上。

▶代表廠商：SelfArray、eLux等。

▶優點：自動化程度高，轉移速度快，適合大規模生產。

▶難點：需要精確控制自組裝過程中的各種參數，以確保轉移精度和良率。

③選擇性釋放技術：

▶原理：通過激光或其他能量源直接作用于LED芯片與源基底的交界面，使芯片從源基底上釋放并轉移到目標基底上。

▶代表廠商：Uniqarta、Coherent等。

▶優點：轉移效率高，對位精度高。

▶難點：需要精確控制能量源的作用參數，以避免對芯片造成損傷。

④轉印技術：

▶原理：利用滾輪或其他轉印工具將LED芯片從源基底上轉移到目標基底上。

▶代表廠商：KIMM等。

▶優點：適用于大面積轉移，轉移速度快。

▶難點：需要保證轉印過程中的均勻性和一致性，以避免出現錯位或遺漏等問題。

⑶巨量轉移技術的未來趨勢

隨著Micro LED技術的不斷發展，巨量轉移技術也在不斷進步和完善。未來，巨量轉移技術將更加注重以下幾個方面的提升：

①提高轉移效率和成功率：通過優化轉移工藝和設備性能，進一步提高轉移。

②增強轉移精度和穩定性：加強對轉移過程中各種參數的精確控制，確保轉移精度和穩定性滿足高端顯示產品的要求。

③推動自動化和智能化發展：利用機器學習和人工智能等技術手段，推動巨量轉移技術的自動化和智能化發展，提高生產效率和產品質量。

巨量轉移技術是Micro LED商業化進程中的關鍵瓶頸之一。隨著技術的不斷進步和完善，相信這一瓶頸將逐漸被打破，推動Micro LED技術在高端顯示領域的廣泛應用和發展。

三、Micro LED的六大核心難關

Micro LED技術確實面臨著一系列的挑戰，其中六大核心難關尤為突出。包括外延片與晶圓制備、像素組裝、缺陷監測、全彩化、光提取與成型等，每一步都充滿了技術挑戰。其產業鏈同樣廣泛，涉及芯片制造、巨量轉移、面板制造、封裝/模組，以及最終的應用和相關配套產業。然而，Micro LED芯片的微小化使得傳統制造技術難以適用，各環節都需面對全新的技術難題，導致成本高昂，這也限制了Micro LED芯片在當前市場的滲透率。

1、難點一：微縮芯片及外延

①挑戰：需要將芯片尺寸微縮至50um以下，同時滿足高PPI需求。這要求在外延制備、光刻、蝕刻、磊晶剝離、電測等環節都實現精細化工藝和良率提升。

②影響：隨著LED芯片尺寸變小，蝕刻過程中的側壁缺陷會影響內部量子效率，導致外部量子效率減弱。

2、難點二：巨量轉移

①挑戰：需要將大量微小的LED晶粒準確且高效地轉移至電路板上。例如，4K顯示需要轉移超過2000萬顆晶粒，這對轉移效率和良率控制提出了極高要求。

②影響：巨量轉移技術的突破是實現Micro LED商業化落地的關鍵。目前，業內的主流解決方案包括靜電吸附、相變化轉移、流體裝配、滾軸轉印、磁力吸附、范德華力轉印、激光轉移等。

3、難點三：全彩化

①挑戰：實現全彩顯示是Micro LED的核心技術難點之一。目前，Micro LED在近眼顯示領域尚無法實現全彩的高亮顯示。

②影響：現有的全彩化方案工藝復雜度較高，且存在相應的短板。未來，隨著量子點技術的完善，UV/藍光LED+發光介質法有望成為全彩化的主流技術。

4、難點四：檢測

①挑戰：在百萬甚至千萬級的芯片中對缺陷晶粒進行檢測、修復或替換是一個巨大的挑戰。傳統的測試設備難以使用。

②影響：現有的解決方案包括光致發光測試和電致發光測試，但這些方法可能面臨檢測精度和效率的挑戰。