深度：半导体与显示技术加速融合！Micro LED最新技术应用与突破
CINNO Research产业资讯，之前大家谈Mini-LED的时候，有提到一个观点，那就是至少现阶段，Mini-LED将仍然仅用作液晶显示器的一个组成部分。尽管许多LED供应商会将Mini-LED和Micro-LED技术放在一起讨论，但实际上这两者之间仍有相当大的差异。
根据外媒ee-paper报道，一般来说，传统的LCD液晶显示器都会含有一个背光模组，有了该背光模组LCD屏幕才能显示出各种颜色。如果这种背光模组中使用的LED芯片非常小，例如今年苹果公司推出的12.9英寸iPad Pro，背光单元中含有10000多颗LED芯片，那么这种产品多半使用了Mini-LED技术。如果LED尺寸更小，比如小于50μm——达到像素级，则这种LED称为Micro-LED。
当背光单元中的每颗LED芯片对应一个像素时，传统的液晶结构将会被颠覆。实际上，就发光原理而言，一般定义中的Micro-LED屏幕更接近OLED屏幕，其每个像素也属于“自发光”，唯一的区别是它使用的发光材料不是有机材料。另外，在面板结构方面，Micro-LED显示器的结构也更简化。基于这样的考虑，Micro-LED屏幕既不是LCD（因为它不再包含液晶层），也不是OLED（因为它不使用有机发光材料）。同时，这也是它不同于目前的Mini-LED技术的一个重要原因（虽然从LED角度来看，它只是LED芯片尺寸的减小）。
图1. LCD、OLED和Micro-LED显示器的结构对比
由于结构简单、非有机发光材料且具有像素级发光控制能力，Micro-LED显示器几乎在结合了LCD和OLED优点的同时，还避免了两者的各种缺点，例如这种屏幕亮度可以在长寿命的前提下实现非常高的亮度和对比度。这样看，该技术是个不错的解决方案，然而由于LED芯片尺寸的减小，显示屏的结构也随之发生了重大变化，这其中就伴随出现了制造工艺复杂和显示屏相关价值链的变化。
去年采访默克中国总裁兼默克中国高性能材料部执行副总裁安高博时，他提到：“半导体和显示器正在加速融合。看到很多显示器公司在介入，但他们需要了解半导体技术，同时半导体公司的发展也更加依赖显示技术的进步。Micro-LED显示器的生产过程与传统的方式不同，它更接近半导体技术。”
默克公司作为一家显示器材料供应商，目前也在讨论这一点。事实上，除了LED芯片本身尺寸的减小外，业界小尺寸Micro-LED屏幕也更倾向于使用CMOS作为背板驱动技术，这和传统液晶显示器（如非晶硅和低温多晶硅等）用TFT驱动方式不同。这应该是安高博提到的半导体和显示器加速融合的重要表现之一。实际上，这可能会导致显示行业价值链的剧烈变化，但要真正实现Micro-LED显示器的大规模生产，业界还有很长的路要走。
本文将试图从一个较为一般角度来讨论这个问题：为什么这种面向未来的显示技术如此神秘，它目前正面临哪些挑战，它相对于LCD和OLED又有什么优势？
谈论显示器的优点，无非是对比显示器的亮度、对比度、色域、寿命、响应时间和功耗等参数。BOE之前在公开演讲中总结过一个表格，如图2所示。尽管认为其中一些参数可能存在争议，但从理论上讲，Micro-LED显示器在这些方面显示出压倒性优势，其中许多参数更是目前应用中梦寐以求的，比如几个数量级的亮度提升。另外，Micro-LED技术还有一些未经认可的优点，包括视角、ppi（像素密度）等。
图2. LCD、OLED和Micro-LED显示器的性能参数对比
不够，表格中的一些参数还处于理论层面，例如EQE（External Quantum Efficiency，外部量子效率）和功耗。理论上，Micro-LED在这两个参数方面也具有显著优势，但是实际情况并不是这样的。传统蓝色LED的EQE可以达到80%，但实际上，当这种蓝色LED的尺寸减小到5-10μm，即Micro-LED尺寸级别时，其EQE会小于20%; 另外，由于侧壁缺陷效应的存在，在这个尺寸层面，Micro-LED的实际功耗比OLED/LCD更差一些。当然，这些方面也正是该技术目前阶段遇到的工程问题。
在讨论Micro-LED显示器的结构和原理之前，先谈谈这项技术的当前市场发展，至少要对Micro-LED显示技术离大规模生产有多远有个定性的概念。
Micro-LED发展道路上的一个代表性事件是2014年苹果收购LuxVue公司，这一动作直接激发了业界对Micro-LED技术的热情，尽管Micro-LED在科学研究中的出现可以追溯到2000年左右。2016年，Oculus收购了InfiniLED，并与Plessey达成协议，合作开发Micro-LED AR显示技术。2017年，夏普和富士康投资了eLux公司。不久之后，谷歌投资了Micro-LED公司Glo AB，而英特尔也开始投资了Aledia公司。三星和Epistar及Chitron Technology也展开了合作，准备开发生产Micro-LED电视。实际上，中国面板和LED芯片制造商在Micro-LED技术方面也进行了大量投资，并成为了某些领域的行业领导者。
在具体产品方面，很多公司已经在一些展会上展示了自己的Micro-LED产品或技术，只是目前这还都是用来秀肌肉的。例如，2018年三星展示了一款146英寸/219英寸的电视，并声称应用了Micro-LED技术，称为The Wall。不过实际上的情况是，这款产品用到的LED芯片尺寸太大，已经不是严格意义上的Micro-LED。
另外，索尼公司早期也采用Micro-LED技术开发了CLEDIS平板电视，当时的售价超过100万美元（索尼2016年推出的220英寸4K CLEDIS电视，报价达1.2亿日元）。在过去两年的SID等展会上，一些主要面板制造商普遍都展示了自己的Micro-LED产品，这其中包括天马、BOE、维信诺、友达等。
Micro-LED技术的应用
Micro-LED的应用可能远远超出预期，就总体方向而言，Micro-LED可以取代LCD和OLED，占据AR/VR、可穿戴设备、手机、汽车、笔记本电脑和电视等几乎所有的显示应用市场。实际上，Micro-LED技术的性能优势已经决定了它会有更大的应用范围。这里不关注Micro-LED在普通照明（如医疗领域的小型光电镊子、光学耳蜗植入）、VLC（可见光通信）等方面的应用，而仅关注其在显示方面的应用。
首先，就高像素分辨率而言，尽管目前高端手机的像素密度已经达到约500ppi，但AR/VR对像素密度仍有很大的要求，特别是在高于1000ppi的需求方面，Micro-LED将具有独特的优势，毕竟它的尺寸可以做得非常小。再加上AR/VR在显示亮度、对比度和响应时间方面的优势，Micro-LED可以将AR/RR体验提升到更高的水平。
AR/VR应用中使用LCD显示技术，由于其光学设计过于复杂，光能和系统层面都存在很大程度的损耗；而OLED显示技术，受到有机材料发光特性的限制，其亮度本身相对较低，很难进一步提高。如上所述，Micro-LED在结构和材料层面上可以很好地克服前两代显示技术的缺陷，尽管其EQE目前仍然不是很理想。
此外，由于客观的制造和成本限制（主要在巨量转移阶段，高电流密度受侧壁缺陷的影响较小），AR/VR、可穿戴设备、投影仪等应用将会成为Micro-LED最新商业化的领域。此外，Micro-LED技术在柔性屏幕、折叠屏幕和透明屏幕的实现方面具有更天然的优势。理论上，不难理解较小的Micro-LED芯片可以稀疏地设计在透明基板上，在低ppi大尺寸屏幕的情况下，这种技术将更容易实现透明和柔性显示。不仅是透明电视，Micro-LED在诸如汽车挡风玻璃上的透明HUD显示器中也有非常大的应用价值。这些应用实际上已经由相应的制造商进行了非常广泛的宣传。例如，Chichuang技术公司就展示了一种由Micro-LED制成的透明柔性显示器。
除了在传统显示器的应用中有替代性优势以外，Micro-LED技术还可以用于裸眼3D显示器，该应用中更小的像素间距、自发光特性和高亮度让光场显示系统的紧凑解决方案成为可能。此外，如上所述，Micro-LED在生物医学和健康领域也有着广阔的应用前景，例如神经元刺激以及可见光通信方面。因此，从市场价值的角度来看，Micro-LED技术在中短期内可以创造的市场规模至少有数十亿，当然这个前提还是Micro-LED技术本身最终能走向成熟和大规模生产。
如本文开头提到的（如图1所示），Micro-LED显示技术的独特结构本身，可能会慢慢改变目前的显示行业格局的独特结构。简单地说，Micro-LED屏幕的制造过程通常分为三个步骤（尤其是LED芯片的Pick and Place拾取和转移方案）。这其中第一步是在晶圆上生长Micro-LED芯片，第二步是制造驱动背板（和传统显示器用到的TFT驱动背板类似），第三步是将这些Micro-LED芯片从晶圆转移到驱动背板上。
看看这个制造过程，不难发现Micro-LED屏幕的结构比LCD和OLED的结构要简单，这也决定了它可以做得更薄，并且从材料角度来看，它比OLED具有更长的寿命和稳定性。但是目前，这些步骤中的每一步都有很多困难，许多瓶颈问题亟待解决。
通常，业界有两种类型的Micro-LED芯片结构，即倒装芯片和垂直结构，传统的水平结构不适用于Micro-LED。根据最终的应用方向，当前的Micro-LED技术需要做出结构选择。例如，由于对高ppi的需求，AR/VR更适合选用垂直结构。
有意思的是，在Micro-LED材料、结构和制造工艺的当前阶段，市场参与者的开发方向可能会大不相同。在这样的背景下，几乎每个参与者都有着自己的专有技术方法，这也表明该技术还处于起步阶段，每个人都在讨论该技术的最佳解决方案。
垂直结构AlInGaP（磷化铝镓铟）等典型的红色Micro-LED可以与蓝色和绿色InGaN（氮化铟镓）LED相匹配。基于AlInGaP材料的垂直结构Micro-LED显示屏，其制造工艺在垂直结构中更具代表性，另外InGaN材料的垂直结构RGB Micro-LED也采用了类似的工艺流程。
此外，InGaN倒装芯片结构也是一大类，它在制造方面类似于传统的LED倒装芯片解决方案。除此以外，使用量子点颜色转换材料实现RGB结构（通过蓝色/紫外倒装芯片或垂直芯片Micro-LED激发颜色转换材料实现三色显示）要比直接三色显示技术简单，因为这种方案实际上只使用的了一种颜色的LED芯片。不过这种使用颜色转换材料的方案也有自己的缺点，那就是这种方案一直存在颜色串扰和发光效率低等问题。
除了前面板结构外，对于整个Micro-LED屏幕来说，还要关注驱动背板部分。驱动背板实际上是晶体管电路层，它可以通过对电流的控制，调制每个像素（Micro-LED芯片）的亮度。当然，Micro-LED显示器也可以直接应用传统的TFT驱动方案，比如非晶硅、LTPS（低温多晶硅）等，但现有解决方案中的Micro-LED背板还是会全部或部分地使用CMOS解决方案。
与a-Si/LTPS TFT驱动方案相比，CMOS方案的优势主要是单晶硅具有更高的晶体质量和电性能，尤其是更高的电子迁移率。这实际上已经成为显示器进一步向半导体领域发展的一个不可缺少的组成部分，这一点对显示器领域的现有市场参与者也提出了新的要求。
加上整个Micro-LED显示屏的结构和组件的变化，包括晶圆制造、外延生长和下文提到的LED芯片巨量转移，这所有问题都可能会导致显示行业价值链的整体颠簸和转变。这一过程中，一些传统显示公司在行业中的重要性可能因此发生变化。
单晶硅电路可以更多地利用IC制造厂现有的设备、设施和工艺，它们可以提供高性能、高可靠性和小尺寸CMOS驱动背板。实际上，CMOS驱动背板已经很成熟，其性能可能会让显示屏实现更多功能，比如更小的尺寸可以为Micro-LED前面板的设计留下空间，这可以让设计者在提高显示质量的前提下进一步缩小设备的尺寸。
在半导体工厂中，CMOS背板通常采用BCD（双极CMOS DMOS）技术制造。0.18-0.35μm工艺可用于制造Micro-LED显示器的CMOS背板。不过，硅片的尺寸限制以及比TFT方案高得多的成本，也会让CMOS方案暂时局限于小尺寸（但高ppi）屏幕。这一类小尺寸高ppi屏幕适合AR/VR等应用。还有一个问题，单晶硅是不透明的，这也在一定程度上限制了其应用场景。
Micro-LED的关键技术挑战
很难仅通过一篇文章就能完整介绍Micro-LED技术。以后，可以对每个细节都进行深入的分析。在本文的最后，将主要讨论Micro-LED在目前阶段遇到的技术挑战，这也是导致其目前难以实现大规模生产的原因。
事实上，Micro-LED制造过程中遇到的问题远不止以下列出的挑战。由于这些挑战和问题，一些分析师和咨询机构推测，Micro-LED可能不会成为下一代显示技术——毕竟，电子行业有许多类似的先例。此外，如上所述，在通往Micro-LED屏幕的道路上，没有市场参与者同意的标准化道路，也会进一步增加Micro-LED技术走向市场的不确定性。
一般来说，目前Micro-LED商业化的几个主要技术挑战包括：巨量转移——即在Micro-LED制造过程中，将LED芯片从原始晶圆转移到驱动背板的过程；Micro-LED（EQE）当前的发光效率还很低；Micro-LED需要从系统的角度选择不同的工艺技术；以及驱动背板的制造、红绿蓝三种颜色显示的实现等。
图3 来源：eLux显示公司展示的巨量转移方案
首先，最为业内人士研究和忌惮的还是巨量转移问题。在中国，所谓“巨量转移”就是将Micro-LED芯片移动到驱动背板上的过程。上面提到的不同颜色的InGaN和AlGaInP LED，即红绿蓝单色LED芯片，生长在不同的晶圆上。在晶圆上进行外延生长有一种相对成熟的解决方案。当然，这个过程本身也不同于传统的解决方案。
但在巨量转移这些发不同颜色光的Micro-LED芯片过程中，会出现更大的挑战。毕竟，当这些LED芯片的大小为像素级别，并且数量多达数千万，例如，4K分辨率显示器会用到800多万像素，再考虑每个像素有三个RGB子像素，整个过程需要转移2400多万颗LED芯片。如此的数量会将转移效率、对准精度、成品率等相关的工艺难度放大很多。
现有研究成果中的主流方案有两种，即直接整个晶圆转移和间接拾取转移。整个晶圆芯片转移需要采用晶圆对晶圆或芯片对晶圆键合的方法，适用于ppi较高的小尺寸屏幕；间接拾取和转移方案更为复杂，生产时需要每次取一部分Micro-LED进行转移放置，然后不断重复该操作，对于大尺寸显示面板，此解决方案更适用。
间接拾取和转移技术具有相对较高的复杂性，不同的市场参与者和研究机构都有不同的解决方案，例如静电转印头、弹性印章转印、射流转印、激光剥离等。
图3所示的方案是一种基于弹性印章的转印方案。这种解决方案是通过一个带有玻璃驱动背板的高弹性载体将LED芯片分批（据说一次可以传输数万颗LED芯片）转移到屏幕的驱动背板上；因为载体本身是透明的，这有利于光学对准。另外还有很多方法可以实现这种“粘附”和“释放”过程。
业界针对整个晶圆和芯片的键合方案也有研究，Lumiode这样的公司就一直致力于将驱动背板直接键合到Micro-LED晶圆上。这里举的例子，也只是众多方法中的一个或两个。
除了巨量转移外，Micro-LED的低光学效率也是一个很大的问题。如前所述，Micro-LED的外量子效率EQE随着尺寸的减小明显降低。EQE指LED向外发射的光子数与注入PN结的载流子数之比。理论上，EQE越大，LED发光效率越高。从现在看来，解决Micro-LED的发光效率问题，将会是大规模生产这种屏幕的基础。
Micro-LED芯片尺寸较小，在大尺寸屏幕应用中会受到侧壁效应的严重影响（传统LED本身尺寸很大，边缘的相对尺寸不大，侧壁效应很小）。这些不同的侧壁缺陷主要出现在蚀刻过程中，这些缺陷会导致非辐射复合。在低电流密度下，Micro-LED的光学效率将非常低。目前的改进方法包括新的LED芯片结构设计、工艺改进等，这些方案都是通过减少侧壁效应来提高EQE的。
纵使这样，现有Micro-LED解决方案的EQE似乎仍远低于传统的大尺寸LED。在这里，选择不同颜色的Micro-LED材料也将成为制造中的一个难题。
此外，从更系统的角度来看，Micro-LED芯片的制造对更多领域的专业知识有了新的要求，包括晶圆制造、外延生长、巨量转移和背板制造等。实际上，这些阶段目前都还没有一个明确统一的技术方向。另外，这些过程之间也形成了一种互锁的关系，开发人员甚至需要考虑最终的应用是什么，以据此决定在不同的环节中采用哪些解决方案。
因此，一些咨询机构认为，具有更多垂直整合能力的市场参与者将出现在Micro-LED时代，可能有希望的公司包括苹果，富士康/夏普，以及三星、LG等公司。当然，这也可能会检验市场参与者之间的协同作用，不过目前市场中各自为政的制造现状显然与此期望相反。
其他与Micro-LED相关的挑战还包括测试（较小的Micro-LED对测试也提出了更高的要求，需要在整个生产过程的每个阶段都进行测试；需要开发新的测试方法；采用系统工程方法）；另外一些更详细的问题，如外延生长过程中波长一致性的控制、LED结构设计中的波长偏移、光谱半宽度的减小、像素发光串扰的控制、光晕效应，以及电路设计中提高波长和亮度一致性的补偿电路等。
未来的不可知性
尽管面临如此多的技术挑战，但许多市场参与者都非常积极地在部署Micro-LED技术，尤其是与中国国内显示器供应链相关的一些公司和面板制造商，如京东方、TCL/CSOT、天马微电子、LED供应链上三安光电、华灿光电、国星光电，聚飞光电均加大了对Mini/Micro-LED产品的研发投入。
LED芯片制造商三安电子一直致力于Mini/Micro-LED技术开发战略。2019年，三安光电宣布在湖北省鄂州葛店经济技术开发区投资12亿元用于研发和生产。去年，三安光电宣布与华星光电合作建立联合实验室，并投资3亿元共同开发Micro-LED材料、制造工艺和设备。此外，Leyard和Epistar也联合投资数亿元，在无锡生产Mini/Micro-LED芯片和模组，希望加速下一代显示解决方案的商业化。
随着Micro-LED技术的发展，显示行业可能会发生翻天覆地的变化。在对Micro-LED市场的诸多猜测中，人们对Micro-LED技术也存有不少疑问；即使从现有市场参与者的角度来看，他们仍然认为Micro-LED可能还需要一些时间才能成熟。市场仍有一定的可能性出现，Micro-LED技术将向前发展，但LCD和OLED仍将在很长一段时间内主导市场。你必须知道，一家公司甚至一个行业在技术领域错失了机遇的情况也相当广泛，但未来期待着这种技术的进步和成熟。
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