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南京中電熊貓平板顯示技術(shù)有限公司工程師崔曉晨

　　在2016中國(guó)平板顯示學(xué)術(shù)大會(huì)的新型顯示及觸控技術(shù)的分論壇上，南京中電熊貓平板顯示技術(shù)有限公司工程師崔曉晨給我們分享了一些Micro LED的技術(shù)。以下為演講文字實(shí)錄：

　　LCD顯示器是目前發(fā)展較為成熟的微顯示技術(shù)，但其需要背光源，Open cell穿透率約在7%，光電效率低，且亮度較低，應(yīng)用場(chǎng)景受到很大限制。OLED型微顯示器是一種有機(jī)電致發(fā)光的全固體顯示器件，雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但由于核心部分為有機(jī)材料，目前仍存在著不易實(shí)現(xiàn)全彩顯示、有機(jī)發(fā)光層制作困難以及有機(jī)物老化導(dǎo)致壽命較短等缺陷。因此，另一種直接利用三原色LED做為自發(fā)光顯示點(diǎn)畫素的Micro LED Display的技術(shù)也正在發(fā)展中。

　　隨著LED的成熟與演進(jìn)，Micro LED Display自2010年起開始呈現(xiàn)不一樣的面貌。

　　自2010年后各廠商積極于Micro LED Display的技術(shù)整合與開發(fā)，然因Micro LED Display尚未有標(biāo)準(zhǔn)的μLED結(jié)構(gòu)、量產(chǎn)制程與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，各廠商其專利布局更是兵家必爭(zhēng)之地。到2016年被Apple并購(gòu)的LuxVue、Mikro Mesa、Sony、Leti等公司皆已具數(shù)量規(guī)模的專利申請(qǐng)案，更有為數(shù)眾多的公司與研究機(jī)構(gòu)投入相關(guān)的技術(shù)開發(fā)。

　　Micro LED Display綜合TFT-LCD和LED兩大技術(shù)特點(diǎn)，在材料、制程、設(shè)備的發(fā)展較為成熟，產(chǎn)品規(guī)格遠(yuǎn)高于目前的TFT-LCD或OLED，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛包含有柔性、透明顯示器。

　　Micro LED Display，是由微小LED組成的高分辨率顯示面板，有別于目前市場(chǎng)將LED置于液晶顯示器背光源的做法，Micro LED Display的顯示原理是將LED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1-10微米等級(jí)左右;然后將Micro LED批量轉(zhuǎn)移至電路基板上，其基板可為硬性、軟性的透明、不透明TFT背板，TFT技術(shù)等級(jí)為IGZO、LTPS、Oxide;再利用物理沉積制程完成保護(hù)層與上電極，進(jìn)行上基板的封裝，完成Micro LED顯示。Micro LED陣列的每一個(gè)像素可定址、單獨(dú)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮，通過(guò)電極線的依序通電點(diǎn)亮Micro LED以顯示影像。

　　Micro LED典型結(jié)構(gòu)是一PN結(jié)面二極管，由直接能隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成，采用成熟的多量子阱(MQWs)LED芯片技術(shù)，最大限度地體現(xiàn)LED器件作為顯示器的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)Micro LED上下電極施加一正向偏壓，致使電流通過(guò)時(shí)，電子、空穴在主動(dòng)區(qū)復(fù)合，發(fā)射出單一色光。目前做LED是分為三種結(jié)構(gòu)，有正裝LED、倒裝LED、垂直LED。

　　高光提取效率的合適形狀包括球形、半球形、去掉頂?shù)臋E圓形等，然而這些結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)，并且成本很高。(PPT)

　　Krames科研小組提出了去掉頂?shù)牡菇鹱炙Y(jié)構(gòu)LED，管芯的側(cè)面為斜面，LED的這種幾何外形可以使內(nèi)部反射的光從側(cè)壁的內(nèi)表面再次傳播到上表面，而以小于臨界角的角度出射。同時(shí)傳播到上表面大于臨界角的光重新從側(cè)面出射。這兩種過(guò)程能同時(shí)減小光在內(nèi)部傳播的路程，外量子效率提高。

　　下面講一下Micro LED的轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)：

　　由于晶格匹配的原因，LED微器件必須先在藍(lán)寶石、SiC、Si等襯底上通過(guò)分子束外延生長(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，對(duì)于微器件的多次轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)難度都特別高，而用在追求高精度顯示的產(chǎn)品上難度就更大。通過(guò)此前蘋果收購(gòu)LuxVue后公布的獲取專利名單也可以看出，大多都是采用電學(xué)方式完成轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，所以說(shuō)納米級(jí)LED的轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)是LuxVue的關(guān)鍵核心技術(shù)。四個(gè)主要的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備、轉(zhuǎn)移頭、轉(zhuǎn)運(yùn)方式、穩(wěn)定裝置。轉(zhuǎn)運(yùn)方式目前采用熱或者是壓力的作用把Micro LED的生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到基板上，然后通過(guò)間隔層間隔到承載基板，這個(gè)間隔層可以通過(guò)溫度的改變來(lái)改變。

　　Micro LED轉(zhuǎn)運(yùn)方式目前主要分為三類：芯片級(jí)焊接、晶圓外延級(jí)焊接、薄膜轉(zhuǎn)移。

　　芯片級(jí)焊接：將LED切割成一顆顆微米等級(jí)的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板)，利用表面貼裝技術(shù)鍵接于驅(qū)動(dòng)背板上。

　　晶圓外延級(jí)焊接：在LED的磊晶薄膜層上刻蝕形成微米等級(jí)的Micro LED磊晶薄膜結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的間距為顯示像素所需的間距，再將LED晶圓(含磊晶薄膜和基板)直接鍵接于驅(qū)動(dòng)背板上，最后使用物理或化學(xué)機(jī)制剝離基板，僅剩4——5μm的Micro LED磊晶薄膜結(jié)構(gòu)于驅(qū)動(dòng)背板上形成顯示像素。

　　薄膜轉(zhuǎn)移：使用物理或化學(xué)機(jī)制剝離LED基板，以一暫時(shí)基板承載LED磊晶薄膜層，再刻蝕形成微米等級(jí)的Micro LED磊晶薄膜結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)驅(qū)動(dòng)背板所需顯示像素點(diǎn)間距，利用具有選擇性的轉(zhuǎn)移治具，將Micro LED磊晶薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行批量轉(zhuǎn)移，鍵接于驅(qū)動(dòng)背板上形成顯示像素。

　　下面是對(duì)三個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)方式的一個(gè)對(duì)比(PPT)，第一個(gè)方式就是沒(méi)有尺寸限制，但是批量轉(zhuǎn)移的能力會(huì)比較小，成本也比較高，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較適合小尺寸，我們了解到Sony比較適合。薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)相對(duì)外延轉(zhuǎn)移是比較好的，也是沒(méi)有尺寸限制，間距也是可以調(diào)的。下面的這個(gè)公司也是采用的這個(gè)公司。

　　這些是我們了解到的開發(fā)的企業(yè)，從這個(gè)表格中我們可以看到，對(duì)Micro LED的顯示技術(shù)主要還是歐美的比較多，從這些數(shù)據(jù)上也可以看到，大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)也是把它放在了小尺寸上面，只有日本的Sony做的尺寸大一些。

　　早在2000年Cree就申請(qǐng)了名為“Micro-led array with enhanced light extraction”的專利，隨后相關(guān)論文發(fā)表也很多。學(xué)界對(duì)Micro LED的投入一直持續(xù)，University of IIIinois的John A. Rogers就是這個(gè)領(lǐng)域的大師;LED廠、面板廠也秘密研發(fā)多年，但商業(yè)化的關(guān)鍵角色，還是非兩位消費(fèi)電子霸主“Sony”和“Apple”莫屬。

　　通過(guò)前面的對(duì)比，Sony 優(yōu)先把顯示屏幕尺寸做大，將目標(biāo)設(shè)定在遠(yuǎn)距離觀賞，由于需用的 LED 顆數(shù)多，導(dǎo)致制作費(fèi)工費(fèi)時(shí)，只能期望用低 PPI(LED 尺寸較大) 換取高良率。

　　Apple優(yōu)先把 LED 縮小，做高畫質(zhì)顯示，但只做用于穿戴式設(shè)備的小尺寸顯示器，避免因累計(jì)良率過(guò)低，價(jià)格無(wú)法達(dá)商業(yè)化水平，日前蘋果的臺(tái)灣龍?zhí)稄S已實(shí)驗(yàn)性點(diǎn)亮了 6 寸的 Micro LED 顯示器。

　　下面是Micro LED的全彩顯示：一個(gè)是三色LED陳列混合，通過(guò)三種顏色芯片和合色棱鏡的作用顯示彩色圖像。藍(lán)光+三色熒光粉，采用藍(lán)光或者紫外光加熒光粉的方式，在特定區(qū)域沉積特定的含有量子點(diǎn)的熒光粉，白光+濾光片，通過(guò)藍(lán)光混合黃光熒光粉產(chǎn)生白光，再通過(guò)濾光片取色。

　　LED的驅(qū)動(dòng)方式：Micro LED陣列經(jīng)由垂直交錯(cuò)的正、負(fù)條狀電極連接每一顆Micro LED的正、負(fù)極。受驅(qū)動(dòng)方式的限制，此方式無(wú)法較好的實(shí)現(xiàn)高分辨率顯示。所有Micro LED負(fù)極通過(guò)共用層形成連接，正極與驅(qū)動(dòng)背板進(jìn)行金屬鍵合，通過(guò)互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路驅(qū)動(dòng)。不受掃描電極數(shù)的限制，可以對(duì)各像素獨(dú)立進(jìn)行選擇性調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電路藏于顯示屏內(nèi)，更易于實(shí)現(xiàn)集成度和小型化，適合多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。

　　Micro LED存在的問(wèn)題，主要的困難點(diǎn)有三點(diǎn)：以目前已成熟的LED燈條制程為例，在制作一LED燈條尚有壞點(diǎn)等失敗問(wèn)題發(fā)生，而一片顯示器上要嵌入數(shù)百萬(wàn)顆微型LED，良率表現(xiàn)相對(duì)較差。倒裝(Flip Chip)LED適合于Micro LED顯示，因其體積小、易制作成微型化，不需金屬導(dǎo)線、可縮減LED彼此間的間隙等，但倒裝LED目前的良率還有一定問(wèn)題。嵌入LED制程不易采用大批量的作業(yè)方式，尤其是RGB的3色LED較單色難度更高。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、綠、藍(lán)三色晶粒，需要嵌入幾十/百萬(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。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　Micro LED的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)：比較突出的三個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：具備無(wú)機(jī)LED高效率、高亮度、高可靠度、反應(yīng)時(shí)間快的特點(diǎn)。自光無(wú)需背光源，更具節(jié)能、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)易、體積小、薄型等優(yōu)勢(shì)。解析度超高，因?yàn)槌⑿?，表現(xiàn)的解析度特別高。相比OLED，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。昨天幾個(gè)院士也講Micro LED還是比較適合在小尺寸上應(yīng)用，因?yàn)樗某杀旧弦脖容^高，大面積應(yīng)用的話。

　　Micro LED的應(yīng)用前景：雖然目前還沒(méi)有發(fā)展起來(lái)，但是高照度、低能耗和超高解析度等優(yōu)異的特性，使其成為平視顯示器(HUD)、微投影、頭戴顯示器(HMD)的理想選擇。還有一點(diǎn)是Micro LED間距則足以整合多個(gè)甚至多樣感測(cè)器，同為自發(fā)光的OLED 為提升效率必須將R、G、B 子像素排列緊密，在間距變窄下所能置入的感測(cè)器有限，所以在穿戴式設(shè)備、智能手機(jī)等應(yīng)用上也將扮演關(guān)鍵角色，目前來(lái)看它的發(fā)展前景還是很不錯(cuò)的。