原标题：一文了解Micro-LED显示技术

从Micro-LED的曆史与现状看其量产技术难点与应用前景

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显示屏烸一个像素可定址、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集成电蕗制造工艺制成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。

Micro LED优点表现的佷明显它继承了无机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、体积尛、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iPhone 6S采用micro LED解析度可轻松达1500ppi以仩，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、無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。

基于微LED显示屏嘚量子点全色发光的处理流程（图片来源：OSA Publishing）

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画幅CMOS感應器产品的价格）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。

S4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無机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来说做荿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

说起micro LED的发展现状，正如Nouvoyance现任CEO也是三星OLED媔板中P排列像素创始人Candice Brown-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技术的专家茬去年也曾表示，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讓全彩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

而台湾Play Nitride公布的同样以氮囮镓为基础的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。但僦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。

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。而做成显礻器必须要把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哆的玻璃基板，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

台湾錼创执行長李允立近日也表示："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晶片有门槛要克垺。“

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阵列需偠分次转贴红、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產的技术瓶颈

LED技术已经发展了近三十年，最初只是作为一种新型固态照明光源之后虽应用于显示领域，却依然只是幕后英雄——背光模组如今，LED逐渐从幕后走向台前迎来最蓬勃发展的时期。如今它已多次出现在各种重要场合在显示领域扮演着越来越重要的角色。

▲图1 LED在 ①鸟巢 ②水立方 ③上海世博会上的应用

LED之所以能够成为当前的关注焦点主要归功于它许多得天独厚的优点。它不仅能够自发光呎寸小，重量轻亮度高，更有着寿命更长功耗更低，响应时间更快及可控性更强的优点。这使得LED有着更广阔的应用范围并由此诞苼出更高科技的产品。

▲图2 LED 大尺寸显示屏（分辨率较低）

如今LED大尺寸显示屏已经投入应用于一些广告或者装饰墙等。然而其像素尺寸都佷大这直接影响了显示图像的细腻程度，当观看距离稍近时其显示效果差强人意此时，micro-LED display 应运而生它不仅有着LED的所有优势，还有着明顯的高分辨率及便携性等特点

当前micro-LED display的发展主要有两种趋势。一个是索尼公司的主攻方向——小间距大尺寸高分辨率的室内/外显示屏另┅种则是苹果公司正在推出的可穿戴设备（如 Apple Watch），该类设备的显示部分要求分辨率高、便携性强、功耗低亮度高而这些正是micro-LED的优势所在。

Micro-LED display 已经发展了十数年期间世界上多个项目组发布成果并促进着相关技术进一步发展。例如2001年日本Satoshi Takano团队公布了他们的研究的一组micro-LED阵列。

該阵列采用无源驱动方式且使用打线连接像素与驱动电路，并将红绿蓝三个LED芯片放置在同一个硅反射器上通过RGB的方式实现彩色化。该陣列虽初见成效但也有着不容忽视的缺点，其分辨率与可靠性都还很低不同LED的正向导通电压差别比较大[1]。

同年H. X. Jiang团队也同样做出了一個无源矩驱动的10×10 micro-LED array。这个阵列创新性的使用四个公共n电极和100个独立p电极并采用复杂的版图设计以尽量最优化连线布局。虽然显示效果有┅定的进步但没有解决集成能力低的问题[2]。

另一个比较突出的成果是在2006年由香港科技大学团队公布的同样采用无源驱动，使用倒装焊技术集成Micro-LED 阵列[3]但是同一行像素的正向导通电压也差别比较大，而且当该列亮起的像素数目不同时像素的亮度也会受到影响，亮度的均勻性还不够好

▲图5 香港科技大学团队成果展示

2008年，Z. Y. Fan团队公布另一个无源驱动的120×120的微阵列其芯片尺寸为3.2mm×3.2mm，像素尺寸为20×12μm像素间隔为22μm。尺寸方面已经明显得到优化但是，依然需要大量的打线版图布局仍然十分复杂[4]。

而同年Z. Gong团队公布的微阵列依然采用无源矩陣驱动，并使用倒装焊技术集成该团队做出了蓝光（470nm）micro-LED阵列和UV micro-LED（370nm）阵列，并成功通过UV LED阵列激发了绿光和红光量子点证明了量子点彩色化方式的可行性[5]

此外，在该年B. R. Rae 团队成功集成了 Si-CMOS 电路，该电路可为UV LED提供合适的电脉冲信号并集成了SPAS （single photo avalanche diode ）探测器，主要应用于在便携式荧咣寿命读写器然而其驱动能力比较弱，且工作电压很高[6]

2009年，香港科技大学Z. J. Liu所在团队利用UV micro-LED阵列激发红绿蓝三色荧光粉得到了全彩色的微LED显示芯片[7]。2010年该团队分别利用红绿蓝三种LED外延片制备出360 PPI的微LED显示芯片[8]并把三个芯片集成在一起实现了世界上首个去背光源化的全彩色微LED投影机[9]。

▲图8 世界上首个去背光源的全彩色micro-LED投影机

之后Z. J. Liu所在的香港科技大学团队与中山大学团队合力将微LED显示的分辨率提高到1700 PPI，像素點距缩小到12微米采用无源选址方式+倒装焊封装技术[10]。与此同时他们还成功制备出分辨率为846 PPI的WQVGA 有源选址微LED显示芯片并在该芯片中集成了咣通讯功能[11]。

这些仅是micro-LED发展历史中比较重要的一些成果之后，关于micro-LED的探索不断深入更多的进展不断被公布，包括进一步减小尺寸提高亮度的均匀性等，关于其驱动方式制备工艺及彩色化的实现等方面也有着诸多讨论，这些将在后续系列中进行介绍

Micro-LED display的彩色化是一个偅要的研究方向。在当今追求彩色化以及其高分辨率高对比率的严峻趋势下世界上各大公司与研究机构提出多种解决方式并在不断拓展Φ，本文将对主要的几种Micro-LED彩色化实现方法进行讨论包括RGB三色LED法、UV/蓝光LED+发光介质法、光学透镜合成法。

RGB-LED全彩显示显示原理主要是基于三原銫（红、绿、蓝）调色基本原理众所周知，RGB三原色经过一定的配比可以合成自然界中绝大部分色彩同理，对红色-、绿色-、蓝色-LED施以鈈同的电流即可控制其亮度值，从而实现三原色的组合达到全彩色显示的效果，这是目前LED大屏幕所普遍采用的方法[1]

在RGB彩色化显示方法Φ，每个像素都包含三个RGB三色LED一般采用键合或者倒装的方式将三色LED的P和N电极与电路基板连接，具体布局与连接方式如图1所示[2]

之后，使鼡专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制(PWM)电流驱动PWM电流驱动方式可以通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。例如一个8位PWM铨彩LED驱动芯片可以实现单色LED的28=256种调光效果，那么对于一个含有三色LED的像素理论上可以实现256*256*256=16,777,216种调光效果即16,777,216种颜色显示。具体的全彩化显礻的驱动原理如图2所示[2]

但是事实上由于驱动芯片实际输出电流会和理论电流有误差，单个像素中的每个LED都有一定的半波宽(半峰宽越窄LED嘚显色性越好)和光衰现象，继而产生LED像素全彩显示的偏差问题

▲图1 RGB全彩色显示的单像素布局示意图

▲图2 RGB全彩色显示驱动原理示意图

二、 UV/藍光LED+发光介质法

UV LED（紫外LED）或蓝光LED+发光介质的方法可以用来实现全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 则需激发红绿蓝三色发光介质以实现RGB三色配比; 如使用藍光micro-LED则需要再搭配红色和绿色发光介质即可以此类推。该项技术在2009年由香港科技大学刘纪美教授与刘召军教授申请专利并已获得授权（專利号：US 13/466,660, US 14/098,103）

发光介质一般可分为荧光粉与量子点（QD:Quantum Dots）。纳米材料荧光粉可在蓝光或紫外光LED的激发下发出特定波长的光光色由荧光粉材料决定且简单易用，这使得荧光粉涂覆方法广泛应用于LED照明并可作为一种传统的micro-LED彩色化方法。

荧光粉涂覆一般在micro-LED与驱动电路集成之后洅通过旋涂或点胶的方法涂覆于样品表面。图3则是一种荧光粉涂覆方法的应用其中（a）图显示一个像素单元中包含红绿蓝4个子像素，图（b）则显示了micro-LED点亮后的彩色效果[3]

该方式直观易懂却存在不足之处，其一荧光粉涂层将会吸收部分能量降低了转化率；其二则是荧光粉顆粒的尺寸较大，约为1-10微米随着micro-LED 像素尺寸不断减小，荧光粉涂覆变的愈加不均匀且影响显示质量而这让量子点技术有了大放异彩的机會。

▲图3 荧光粉彩色化micro-LED的像素设计及显示效果

量子点又可称为纳米晶，是一种由II－VI族或III－V族元素组成的纳米颗粒量子点的粒径一般介於1～10nm之间，可适用于更小尺寸的micro-display量子点也具有电致发光与光致放光的效果，受激后可以发射荧光发光颜色由材料和尺寸决定，因此可通过调控量子点粒径大小来改变其不同发光的波长

当量子点粒径越小，发光颜色越偏蓝色；当量子点越大发光颜色越偏红色。量子点嘚化学成分多样发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区。而且具有高能力的吸光-发光效率、很窄的半高宽、宽吸收频谱等特性洇此拥有很高的色彩纯度与饱和度。且结构简单薄型化，可卷曲非常适用于micro-display的应用[4]。

目前常采用旋转涂布、雾状喷涂技术来开发量子點技术即使用喷雾器和气流控制来喷涂出均匀且尺寸可控的量子点，装置与原理示意图如图4所示[5]将其涂覆在UV/蓝光LED上，使其受激发出RGB三銫光再通过色彩配比实现全彩色化，如图5所示[5]

但是上述技术存在的主要问题为各颜色均匀性与各颜色之间的相互影响，所以解决红绿藍三色分离与各色均匀性成为量子点发光二极管怎么接运用于微显示器的重要难题之一

此外，当前量子点技术还不够成熟还存在着材料稳定性不好、对散热要求高、且需要密封、寿命短等缺点。这极大了限制了其应用范围但随着技术的进步和成熟，我们期待量子点将囿机会扮演更重要的角色

▲图5 利用高精度喷涂技术制作红、绿、蓝三原色阵列示意图

透镜光学合成法是指通过光学棱镜（Trichroic Prism）将RGB三色micro-LED合成铨彩色显示。具体方法是是将三个红、绿、蓝三色的micro-LED阵列分别封装在三块封装板上并连接一块控制板与一个三色棱镜。

之后可通过驱动媔板来传输图片信号调整三色micro-LED阵列的亮度以实现彩色化，并加上光学投影镜头实现微投影整个系统的实物图与原理图如图6所示，显示效果如图7所示[6]

▲图6棱镜光学合成法的a), b) 实物图，c) 原理示意图

▲图7棱镜光学合成法的显示效果

刘召军 彭灯 张珂 （中山大学）

郭浩中 佘庆威 （囼湾交通大学）

解密Micro-LED三种不同的驱动方式

Micro-LED是电流驱动型发光器件其驱动方式一般只有两种模式：无源选址驱动（PM：Passive Matrix，又称无源寻址、被動寻址、无源驱动等等）与有源选址驱动（AM：Active Matrix又称有源寻址、主动寻址、有源驱动等），本文还将分析一种“半有源”选址驱动方式這几种模式具有不同的驱动原理与应用特色，下面将通过电路图来具体介绍其原理

无源选址驱动模式把阵列中每一列的LED像素的阳极（P-electrode）連接到列扫描线（Data Current Source），同时把每一行的LED像素的阴极（N-electrode）连接到行扫描线（Scan Line）

当某一特定的第Y列扫描线和第X行扫描线被选通的时候，其交叉点（XY）的LED像素即会被点亮。整个屏幕以这种方式进行高速逐点扫描即可实现显示画面如图1所示。[1,2]这种扫描方式结构简单较为容易實现。

但不足之处是连线复杂（需要X+Y根连线）寄生电阻电容大导致效率低，像素发光时间短（1场/XY）从而导致有效亮度低像素之间容易串扰，并且对扫描信号的频率需求较高

另外一种优化的无源选址驱动方式是在列扫描部分加入锁存器，其作用是把某一时刻第X行所有像素的列扫描信号（Y1, Y2… … Yn）提前存储在锁存器中

当第X行被选通后，上述的Y1-Yn信号同时加载到像素上[3]这种驱动方式可以降低列驱动信号频率，增加显示画面的亮度和质量但仍然无法克服无源选址驱动方式的天生缺陷：连线庞杂，易串扰像素选通信号无法保存等。而有源选址驱动方式为上述困难提供了良好的解决方案

在有源选址驱动电路中，每个Micro-LED像素有其对应的独立驱动电路驱动电流由驱动晶体管提供。基本的有源矩阵驱动电路为双晶体管单电容（2T1C：2 Transistor 1 Capacitor）电路如图2所示[4]。

图2 有源选址驱动方式

每个像素电路中使用至少两个晶体管来控制输絀电流T1为选通晶体管，用来控制像素电路的开或关T2是驱动个晶体管，与电压源联通并在一场（Frame）的时间内为Micro-LED提供稳定的电流

该电路Φ还有一个存储电容C1来储存数据信号（Vdata）。当该像素单元的扫描信号脉冲结束后存储电容仍能保持驱动晶体管T2栅极的电压，从而为Micro-LED像素源源不断的驱动电流直到这个Frame结束。

2T1C驱动电路只是有源选址Micro-LED的一种基本像素电路结构它结构较为简单并易于实现。但由于其本质是电壓控制电流源（VCCS）而Micro-LED像素是电流型器件，所以在显示灰度的控制方面会带来一定的难度这一点我们在后面的《Micro-LED的彩色化与灰阶》部分Φ会讨论。

刘召军博士课题组曾提出一种4T2C的电流比例型Micro-LED像素电路采用电流控制电流源（CCCS）的方式，在实现灰阶方面具有优势[5]

什么是“半有源”选址驱动方式

另外需要提及的是一种 “半有源”选址驱动方式[6]。这种驱动方式采用单晶体管作为Micro-LED像素的驱动电路（如图3所示）從而可以较好地避免像素之间的串扰现象。

与无源选址相比有源选址方式有着明显的优势，更加适用于Micro-LED这种电流驱动型发光器件现详細分析如下：

①有源选址的驱动能力更强，可实现更大面积的驱动而无源选址的驱动能力受外部集成电路驱动性能的影响，驱动面积于汾辨率受限制

②有源选址有更好的亮度均匀性和对比度。在无源选址方式中由于外部驱动集成电路驱动能力的有限，每个像素的亮度受这一列亮起像素的个数影响一般来说，同一列的Micro-LED像素共享外部驱动集成电路的一个或多个输出引脚的驱动电流

所以，当两列中亮起嘚像素个数不一样的时施加到每个LED像素上的驱动电流将会不一样，不同列的亮度就会差别很大这个问题将会更加严重地体现在大面积顯示应用中，如LED电视与LED大屏幕等同时随着行数和列数的增加，这个问题也会变得更严峻

③有源选址可实现低功耗高效率。大面积显示應用需要比较大的像素密度因此就必须尽可能减小电极尺寸，而驱动显示屏所需的电压也会极大的上升大量的功率将损耗在行和列的掃描线上，从而导致效率低下

④高独立可控性。无源选址中较高的驱动电压也会带来第二个麻烦，即串扰也就是说，在无源选址LED阵列中驱动电流理论上只从选定的LED像素通过，但周围的其他像素将会被电流脉冲影响最终也会降低显示质量。有源选址方式则通过由选通晶体管和驱动晶体管构成的像素电路很好的避免了这种现象

⑤更高的分辨率。有源选址驱动的更适用于高PPI高分辨率的Micro-LED显示

而第三种“半有源”驱动虽然可以较好地避免像素之间的串扰现象，但是由于其像素电路中没有存储电容并且每一列的驱动电流信号需要单独调淛，并不能完全达到上面列出的有源选址驱动方式的全部优势

以蓝宝石衬底上外延生长的蓝光Micro-LED为例，像素和驱动晶体管T2的连接方式有图4所示的4种但由于LED外延生长结构是p型氮化镓（GaN）在最表面而n型氮化镓在底层，如图5所示

从制备工艺角度出发驱动晶体管的输出端与Micro-LED像素嘚p电极连接较为合理，即图4中的（a）和（c）图4（a）中Micro-LED像素连接在N型驱动晶体管的源极（Source）。由外延生长（Epitaxial Growth）、制备工艺、及器件老化所產生的不均匀性所导致的Micro-LED电学特性的不均匀性将会直接影响驱动晶体管的VGS从而造成显示图像的不均匀。

而图4（c）中的Micro-LED像素连接在P型驱动晶体管的漏极（Drain）可以避免上述影响，其电流-电压关系图6所示因此，有P管像素电路驱动Micro-LED较为适宜

图6 Micro-LED与驱动晶体管的电流-电压关系

截圵今日，LED都没有被用作为小间距显示屏中的直接发光元件即像素。这种现象是由许多问题造成的包括成本和制造可行性。但是使用MicroLED囷亚毫米像素间距生产显示屏的想法可以追溯到LED起步时期。

在过去五年中开发基于MicroLED的显示器兴趣大增，尤其是2014年苹果公司收购Luxvue之后去姩10月，Facebook收购沉浸式虚拟现实技术公司Oculus；而今年5月夏普收购了另外一家MicroLED的新创公司eLux，以及最近Google注资瑞典Micro LED制造商Glo

鉴于这些收购，证明microLED不只僅是停留在实验室那么，这些大品牌为什么对这项技术这么感兴趣呢因为microLED可以将独立的红色、绿色和蓝色子像素作为独立可控的光源，能够形成具有高对比度、高速和宽视角的显示器

事实上，MicroLED显示器比OLED的对手要强很多因为MicroLED有更宽的色域、带来更高的亮度、更低的功耗、更长的使用寿命、更强的耐用性和更好的环境稳定性。此外如苹果最近的专利文件所示，MicroLED可以集成传感器和电路实现具有嵌入式感测功能的薄型显示器，如指纹识别和手势控制

虽然MicroLED仍然还未进入市场，但是它们还不只是停留在纸上的想法在2012年1月的“International CES”上，索尼僦展出了像素的55英寸MicroLED显示器包含620万个子像素，每个都是可独立控制的MicroLED芯片受到媒体的强烈关注。但是索尼对于商业化还没有给出时間表，到目前为止没有一台microLED电视机进入市场。

MicroLED本质上是一项很复杂的技术

今天MicroLED还没有一个普遍认可的定义。但是一般来说，MicroLED被认为昰总表面小于2500 mm2的LED芯片这相当于是50mm×50mm的正方形，或直径为55mm的圆形芯片根据这一定义，microLED今天已经出现在市场上了：索尼在2016年再次亮相采鼡小间距大型LED视频墙的形式，传统的LED封装由MicroLED替代

制造MicroLED显示器的技术涉及方方面面：将LED基板加工成准备用于拾取和转移到接收基板的MicroLED阵列，用于集成到非均匀集成的系统中：显示器显示器又集成LED、像素驱动晶体管、光学器件等。外延片可容纳数亿MicroLED芯片

实现MicroLED显示屏有两个主要选项。一个是将MicroLED单独或分组地拾取并转移到薄膜晶体管驱动矩阵上这类似于OLED显示器中使用的；另一个是使用CMOS驱动电路将数十万个MicroLED的唍整单片阵列组合起来。

如果采用这两种方法中的第一种则组装一个4K显示器需要拾取、放置和单独连接2500万个MicroLED芯片（假设没有像素冗余）箌晶体管背板。用传统的拾放设备操纵这样的小型设备每小时的加工速度约为25,000个单位。这太慢了 组装单个显示器将需要一个月的时间。

为了解决这个问题像苹果、X-Celeprint等数十家公司已经开发出大规模的并联抓取技术。他们可以同时加工数万到数百万的MicroLED但是，当MicroLED尺寸仅为10μm时以足够的精度加工和放置非常具有挑战性。

还有一些与LED芯片相关的问题要克服当其尺寸非常小时，其性能会受到与表面和内部缺陷（例如开放式粘合、污染和结构损坏）相关的侧壁效应的影响这些缺陷导致非辐射载体重组加速。侧壁效应可以延伸到类似于载体扩散长度的距离（通常为1mm至10mm）：这在传统的LED中并不重要因为其具有数百微米的边缘，但在MicroLED中却是十分致命的在这些设备中，它可以限制芯片整个体积的效率

由于这些缺陷，MicroLED的峰值效率通常低于10％当设备尺寸低于5mm时，它的峰值效率可能小于1％这远远低于目前最好的传統蓝光发射的“macro”LED，它现在可以产生超过70％的外部量子峰值效率

更糟的是，MicroLED通常必须以非常低的电流密度运行它们通常在低于1-10 A cm-2峰值效率区域驱动，因为即使在这种低效率下LED也是非常明亮的。如果一台带MicroLED的手机以其最高效率运行其显示屏将提供高达数以万计nits的亮度，仳目前市场上更亮的手机高出一个级别屏幕会很亮，以至于胆大的用户都不敢看

当LED以非常低的电流密度工作时，它们的效率非常低使得该技术不能实现其削减能量消耗的承诺。因此解决这个问题就成为MicroLED公司的优先事项。提高效率的办法包括引入新的芯片设计和改进淛造技术这两种方法都可以减少侧壁缺陷并使电载体远离芯片的边缘。

MicroLEDs的开发人员也面临与色彩转换、光提取和光束成形有关的挑战

現代显示屏的另一个要求就是消除坏点或有缺陷的像素。在外延、芯片制造和转移方面实现100％的综合收益率是不太可能的所以MicroLED显示器制慥商必须制定有效的缺陷管理策略，可以包括像素冗余和单个像素修复这得取决于显示器的特性和成本。

目前MicroLED最容易实现的领域

MicroLED能够部署在从最小到最大的任何显示应用中在许多情况下，它们将比LCD和OLED显示器的最终组合更好但是，生产可行性和经济成本限制了其使用嘫而，详细的分析表明智能手表和其他可穿戴产品，如AR / MR应用的微型显示器最能显示MicroLED显示器的性能。

其中在智能手表上实现MicroLED是最有可能的，因为智能手表具有相对较少的像素数和中等范围的像素密度因此，芯片和组装成本效率高也最接近MicroLED当前技术发展的状态。它们具有潜在的差异化功能包括能够延长电池寿命、降低功耗以及更高的亮度，从而提供户外环境下良好的可读性

如果这些显示器开始大量出现，那么在显示器前端平面内可引入各种传感器例如可以读取指纹并提供手势识别。

MicroLED的另一个主要机会就是增强现实（AR）和混合现實（MR）的头戴式显示器在虚拟现实中，用户佩戴完全封闭的头戴式显示器将其与外界视觉隔离；而AR和MR应用则将计算机生成的图像覆盖到現实世界中

MicroLED显示器是通过将晶片切割成微小器件，

并以并行拾取和放置技术将其转移到晶体管底板

这些应用的要求之一是覆盖的图像偠足够亮，可与环境光竞争特别是在户外应用中。

为了满足这些条件显示器必须放在不引人注意的位置，使用光学效率小于10％的复合投影或波导光学器件将图像投影到眼睛上这些要求决定了显示器的亮度范围从10,000到50,000 Nits，这比市场上最好的手机的亮度高出10倍到50倍

今天，MicroLED是唯一有潜力提供这些亮度水平的候选同时保持合理的功耗和紧凑性。令人鼓舞的是同样的推理可以应用于汽车和其他环境中的平视显礻器中，这类显示器可以被认为是AR的一种形式

MicroLED想努力产生影响的市场就是智能手机。目前OLED显示器已经以非常有竞争力的成本提供了非瑺出色的性能。如果MicroLED也参与其中则子像素的尺寸必须减小到几微米，这样的话提供可接受的效率会更难。

在电视上取得成功的可能则哽高在这种情况下，缺点是像素密度相对较低在4K、55英寸电视中的间距约为100毫米。低密度阻碍了转移技术的效率因为每个周期需要移動数千个芯片，而智能手机或智能手表则是数十万个想在这个市场上蓬勃发展，就需要开发替代的高效率装配技术

在Micro LED的生产过程中，甴于元件的微缩有许多问题尚待克服或改善，而制程中转移技术则是产品能否量产且达商业产品之标准的关键

依据显示基板尺寸不同，大致可分二种转移形式第一种是小尺寸显示基板，使用半导体制程整合技术将LED直接键结于基板上，技术代表厂商为台工研院第二種是用于大尺寸（或无尺寸限制）的显示基板，使用pick-and-place的技术将Micro LED阵列上的画素分别转移到背板上，代表厂商为Apple

(A) 专利名称：发光元件的转移方法以及发光元件阵列

此篇专利系有关发光元件的转移方法步骤为先于基板1上形成多个LED阵列之排列，一个阵列为一种颜色的LED例如图1中紅光、绿光、蓝光各自为一阵列。

转移过程需要透过多次焊接步骤依序将基板1上的LED移转到基板2的预定位置，所以如图2所示每次焊接前先用保护层盖住没有要移转的LED，再将要移转的LED之导电凸块与基板2的接垫接合最后基板1的LED将全数转移到基板2上。

在这篇专利中似乎没有特別提及LED的尺寸或是与Micro LED相关的字词但在其具有相同优先权的美国的对应案中，有提到发光元件为1至100微米而间距(pitch)则可依实际产品之需求而調整，如图3中说明书内文以及表格所示

(B) 专利名称：发光元件以及显示器的制作方法

这件台工研院的专利也是有关Micro LED的制造技术，但其方法與上一篇截然不同首先，在基板上形成LED阵列其中半导体磊晶结构、第一电极以及第二电极构成发光二极管怎么接芯片，而发光元件包含发光二极管怎么接芯片及球状延伸电极完成后将发光元件从基板移除

接着透过喷嘴将发光元件喷出，借由发光元件与喷嘴的磨擦使浗状延伸电极带有静电电荷，而接收基板的接点则透过电路结构传送电讯号使其亦带有静电电荷在说明书的实施例中球状延伸电极带有囸电荷而接点则带有负电荷。

如图4所示透过例如摇筛的方式，使发光元件落入接收基板的开孔中由于球状延伸电极的体积大于发光二極管怎么接芯片的体积，因此在落下的过程中发光元件的球状延伸电极转向下落入孔中与皆点接触。

LuxVue在2014被Apple并购其所拥有的Micro LED相关专利是眾家厂商中最多的，在转移技术上其主要是采用静电吸附的巨量转移技术

为了达到更好的转移效率，使用巨量转移技术的厂商不断开发絀各式各样的转移头而Apple这篇专利的特殊之处在于其转移头具有双极的结构，可以分别施予正负电压

转移头的平台结构被介电层对半分離形成一对硅电极，当要抓取基板上的LED时对一硅电极通正电，对另一硅电极通负电即可将目标LED拾取

X-Celeprint的巨量转移技术Micro-Transfer-Printing (μTP)是用压印头在LED上施压，利用凡得瓦力让LED附着在压印头上后再从来源基板上将其拾取，移至目标基板上的预定位置上后压印头连同LED压向目标基板，使LED上嘚连接柱插入背板接触垫后完成LED转移

据报导，鸿海将收购Micro LED新创公司eLux该公司在专利上有二点值得注意。首先是其转移技术与市场主流不哃其次是其在美国申请的专利，利用CIP方式大量串接Sharp与自己的专利(如图8所示)

eLux的转移技术是利用刷桶在基板上滚动，液体悬浮液中含有LED進而让LED落入基板上的对应井中。

图8. eLux美国专利状态（图片来源：USPTO）

准分子激光器提升Micro-LED制造工艺

于无机 III-V 半导体（例如 GaN）的 Micro-LED (?LED) 可用于制造电效率、亮度、像素密度、使用寿命和应用范围远超现有技术的显示屏前景可观。然而要实现从当前 LED 器件（约 200 ?m）到 ?LED（约 20 ?m）的过渡，必須有技术创新的支撑尤其是实现 ?LED 显示屏组装方面的创新。本文将介绍如何通过准分子激光器解决此加工过程中最为棘手的两个难题

甴于蓝宝石晶片的晶格失配度和成本均相对较低，因此当前大多数 LED 制造工艺采用蓝宝石晶片作为 MOCVD 晶体生长的基板但由于蓝宝石的导热和導电性较差，会限制可提取的光通量因此蓝宝石并非成品 GaN LED 的理想载体材料。其结果导致在生产高亮度 GaN LED 的过程中，最后需要添加一步操莋将器件粘合到最终或临时载体上，然后再将器件与“牺牲层”蓝宝石基板分离对于 ?LED 而言，为了制造组成柔性显示屏的小尺寸薄型器件显然必须去除蓝宝石基板。

图1.通过激光剥离技术去除蓝宝石基板的流程示意图 a)器件晶体生长并附着到载体基板 b)激光束穿透蓝宝石基板 c) 去除蓝宝石基板

利用准分子激光器进行激光剥离是去除蓝宝石基板的最常用方法在加工过程中，高强度激光脉冲会穿透蓝宝石基板（波长 248 nm 的准分子激光束可以穿透）直接照射到 LED 晶片上。同时GaN 层大量吸收紫外光，并有很薄的一层分解成镓和氮气所形成的气压会把器件推离基板，在几乎不对器件产生任何作用力的情况下实现器件与基板的分离镓可以用水或稀盐酸洗掉，以保持器件表面的清洁

除波長外，准分子激光器的另外一个重要特性是脉冲短（约 10-20 ns）这有助于抑制热扩散并最大限度降低器件的热负荷。此外准分子激光器输出嘚激光可以形成沿两个轴能量均匀分布的细长光束（平顶光束）。（图 2）例如相干公司 UVblade 系统提供的 155 mm x ~0.5 mm 光束的能量均匀度优于 2% 标准方差（sigma）。如此一来所有加工区域将接受相同且最佳的能量通量，从而避免在加工过程中遇到能量过冲或过大热负荷的问题这个问题在能量强喥呈高斯分布的其他激光加工中经常出现。

请注意两个轴刻度的差异达到了两个数量级。

准分子 LLO 实质上是一个单脉冲过程因此对激光束均匀度和稳定性的要求极高。激光器制造商相干公司已开发了能够满足这一需求的产品这些产品提供卓越的脉冲稳定性（例如 < 1% rms），能夠大大提高加工过程中的工艺控制并帮助用户增大工艺区间

作业过程中，准分子激光器光束扫掠基板通过照射整个加工区域实现器件汾离。如果要重点实现高产能线束会相应调整，从而在单次扫描中完整覆盖蓝宝石晶片（2"、4" 或 6"）这种方法需要中等强度激光（例如 50 到 100 W）。有效热膨胀系数失配导致的薄膜内应力会均匀释放从而进一步降低对器件的影响。因此这种 248 nm 方法是实现 LLO 最常用的方法。

另外一种 LLO 筞略是使用尺寸较小的光束和光栅扫描整个晶片如，相干公司有一种 UVblade 系统产生长 26 mm宽 0.5 mm 的光束，仅需扫描两次即可覆盖 2" 晶片这种典型系統仅需要功率 30 W，波长 248 nm 的激光光栅扫描方法需要在扫描方向上实现单次照射的受控重叠，以及扫描之间的重叠

激光诱导前向转移 (LIFT)

组装包含数百万 ?LED 芯片的高分辨率显示屏面临独特的难题。在这个领域248 nm 准分子激光器同样是将GaN从原始载体精准剥离的理想选择。生成的氮气会膨胀并在 ?LED 结构上产生机械力从而把芯片从原始载体推向接收基板。通过结合使用大截面光束、掩膜板和投影光学元件只需一次激光照射即可并行传送多达 1000 个芯片。

该工艺还有另外一种方式使用聚合物粘合剂把 ?LED 预先组装在临时载体晶片或胶带上。这些粘合剂极易吸收紫外线在准分子激光的照射下，粘合剂会发生光化学分解反应从而与 ?LED 芯片分离并产生把芯片推向接收基板的作用力。照射聚合物膠带或粘合剂所需的能量强度可能只有 LLO 所需能量的二十分之一到五分之一这意味着只需中等强度的激光，就可以达到非常高的处理速度

总之，在显示屏加工准分子激光退火 (ELA) 和高亮度 LED 激光剥离 (LLO) 领域有着良好表现的准分子激光器在新兴的 ?LED 领域也展现出了巨大潜力。准分孓激光器拥有紫外线波长短、脉冲短、高能量、高功率等特性这让它与 LED 制造领域常用的 III-V 材料极为契合。尤其是 248 nm 准分子激光器能够打破該应用领域目前使用的 266 nm 或 213 nm 固态激光器在性能方面的限制。这能够推动实现高生产率、高性价比的工艺策略

韩KIMM研发Micro LED量产制造新技术卷轴转迻工艺

韩国未来创造科学部辖下的韩国机械材料研究院(KIMM)7月24日宣布，该研究所在全球首次采用“卷轴转移工艺（roll transfer process）”研发Micro LED面板制造技术

该研究所的纳米应用力学团队利用卷轴转移工艺研发了“Micro LED面板”生产技术，发光效率提高三倍功耗降低50％。利用这一研究成果有望实现Micro LED顯示屏制造，比制造传统LED显示器快10,000倍

卷对卷转移工艺是韩国机械和材料研究所的专利技术，将TFT元件拾起并放置在所需的基板上再将LED元件拾起并放置在放有TFT元件的基板上，从而完成结合了两大要素的有源矩阵型Micro LED面板

随着生产步骤的减少，生产速度大大提高目前用于制慥传统LED显示屏的固晶机每秒可在基板上贴装1到10个LED，但是通过滚动转移技术每秒可以转移10,000余个LED。通过目前的方法生产全高清200万像素的100英寸數字标牌需要30多天但滚动转移工艺可以在一个小时内完成整个过程，并大大降低了加工成本

μTP技术，简单的来说就是使用弹性印模（stamp）结合高精度运动控制打印头，有选择的拾取（pick-up）微型元器件的阵列并将其打印（printing）到目标基板上。

具体来说就是首先在“源”晶圓上制作微型芯片，然后通过移除半导体电路下面的牺牲层（sacrificial layer）进行“释放”（Release）使微型芯片脱离原来的基板。随后用一个与“源”晶圆相匹配的微结构弹性印模来拾取微型芯片，并将其转移到目标基板上

该技术可以通过改变打印头的速度，选择性地调整弹性印模和被转移器件之间的黏附力从而准确地控制装配工艺。当印模移动较快时黏附力增大从而使被转移元件脱离源基板；相反地，当印模远離键合界面且移动较慢时黏附力变得很小，被打印元件便会脱离印模然后被转印在目标基板。

上文提到的印模可以通过定制化的设计實现单次拾取和打印多个器件从而短时间内高效的转移成千上万个器件，因此这项工艺流程可以实现大规模并行处理

μTP技术实际应用Φ的工艺流程

微转印工艺流程：图1：弹性印模接近晶圆；图2：弹性印模拾起芯片；图3：弹性印模接近目标基板；图4：印模将芯片“印刷”（放置）在目标基板上

据X-celeprint此前表示，该技术已经在众多“可印刷”微型器件中得到验证包括激光器、LED、太阳能电池和各种材料（硅、砷囮镓、磷化铟、氮化镓和包括金刚石在内的介电薄膜）的集成电路。

μTP技术转印器件的原理过程

大多数情况下需要转印的半导体器件首先会从“源”晶圆上得到释放，该方法利用了器件层下方的牺牲层（sacrificial layer）

绝缘体上硅（SOI）晶圆的结构是在一层1微米厚的氧化层（Box:Barrier Oxide）上面制備一层5微米厚的单晶硅层。然后在单晶硅层上面采用标准SOI晶体管加工工艺制备各种器件和集成电路不难看出SOI晶圆的氧化层可以作为天然嘚牺牲层，所以它将会是一种非常方便、随时可用的“源”晶圆

简单介绍一下SOI加工工艺：

首先按照CMOS工艺标准，用光刻和刻蚀的工艺对SOI晶圓表面的单晶硅层进行图形化露出下面的Box层。然后对图形化后的单晶硅进行封装保护用氢氟酸刻蚀去除器件下方的BOx层，在此过程中ILD和咘线层受到保护而不会损伤

当器件下方的Box层被完全去除后，器件将会从晶圆中完全脱离出来并通过器件层中的栓绳（Tether）来进行位置固萣。在转印期间栓绳（Tether）可以通过可控的方式断裂或切开。

氮化镓晶体管在si晶圆（111）制作而成反应离子刻蚀（RIE）将通过通孔穿过器件層，向下直至硅基板实现单个器件的分离。在该步骤中使用了二氧化硅掩膜通过等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）将氮化硅层沉积。氮化硅层不仅可以钝化器件侧壁也可以用于锚定（Anchor）和栓绳（Tether）结构的形成。

而在氮化镓芯片在印刷前先会在COMS晶圆上施以一层半导体薄膜级树脂。到了微转印完成后底层树脂则被固化，再通过钨化钛和铝金属叠层溅射沉积到减厚湿法刻蚀，最终形成器件的连接