在迷霧中探索:micro LED顯示器的現在和將來

作者 : 黃燁鋒,EE Times China

mini LED至少現階段都還是一種LCD液晶顯示技術的組成部分。雖然不少LED供應商會將mini LED/micro LED一起談,但這兩者本質上還是存在相當大的差異…

前不久,《電子工程專輯》中國版(EE Times China)談到了mini LED,提到mini LED至少現階段都還是一種LCD液晶顯示技術的組成部分。雖然不少LED供應商會將mini LED/micro LED一起談,但這兩者本質上還是存在相當大的差異。

從大方向來看,最為傳統的LCD液晶顯示器的層級結構中,有個背光層——有了這層背光層,LCD螢幕才會亮起各種色彩。如果背光層的LED晶片做得很小,比如像今年的12.9吋iPad Pro,背光層由超過10,000枚LED構成,那麼就可說這種螢幕應用了mini LED技術。如果LED做得更小,小於50μm,做到畫素等級的尺寸,那麼這種LED就稱micro LED。

不過當背光層的每顆LED晶片都對應一個畫素時,那麼傳統的液晶結構也就可以被推翻了。在發光原理上,一般定義中的micro LED螢幕會更靠近OLED螢幕,每個畫素也可以算是「自發光」,但背光並不是有機材料。而且在面板結構上,micro LED也做得更簡化,所以micro LED螢幕既不是LCD (因為不再包含液晶層),也不是OLED (因為不採用有機發光材料),這是它有別於mini LED的重要原因(雖然單就LED的角度來看,也只是LED做得更小)。

 

圖1:LED、OLED與micro LED結構。

 

由於更簡單的結構,非有機發光材料,以及每個畫素都能控制發光與否,micro LED幾乎集合了LCD與OLED的各種優點,並規避了兩者的各種缺點,比如螢幕亮度可以做到很亮,但對比度又可以很高,壽命還可以很長。聽起來是相當美好的解決方案,但由於LED晶片本身尺寸的縮減,帶來顯示器結構上的顯著變化,隨之而來的是難度更高的製程和顯示相關的價值鏈變化。

去年採訪默克(Merck)中國總裁暨默克中國高性能材料事業部執行副總裁安高博時,他曾提到,「半導體、顯示兩者在加速出現融合。我們看到顯示企業,他們需要去懂半導體,瞭解半導體;半導體企業也更多依賴於顯示技術的進步。micro LED的生產製程就和傳統不大一樣,它更接近半導體技術。」

默克是作為顯示材料供應商談到這一點,事實上除了LED晶片本身的尺寸縮減,業界的小型micro LED螢幕在背板(backplane)部分也更傾向於採用CMOS技術,而不再是傳統意義上我們對顯示面板所知的TFT (如非晶矽、LTPS等),這應該是安高博提到的半導體與顯示兩者加速融合的重要表現。這一點實際上也可能造成顯示產業價值鏈的劇烈變動——只不過當前micro LED要實現大規模量產,仍有比較遙遠的路要走。

本文嘗試從大方向的角度來談談,這種未來向的顯示技術究竟為什麼神秘,有哪些挑戰,以及相比LCD和OLED又有哪些優勢。

上百萬美元的電視,你能承受嗎?

談螢幕顯示的優勢,無非也就是考察亮度、對比度、色域、壽命、回應時間、功耗等維度。之前京東方在公開演講中曾總結一張表格(圖2)。雖然筆者認為其中的部分參數可能是有待商榷的,但理論上microLED在各方面都能表現出碾壓當代顯示技術的優勢,其中的很多都是人們對顯示技術夢寐以求的,包括高出幾個數量級的亮度。這裡還有一些未總結的來自micro LED技術的優勢,包括可視角、畫素密度(ppi)等。

 

圖2:LED、OLED與micro LED比較。

(來源:京東方)

 

不過其中的有些參數停留在理論階段,比如說外量子效率(external quantumefficiency,EQE)功耗。從理論上來說,micro LED在這兩個參數上也有顯著優勢。傳統藍色LED的EQE可以達到80%;在實際操作中,如果這種藍色LED的尺寸縮減到5~10μm,則EQE將≤ 20%;而且因為側壁缺陷效應(sidewall defects effect)的存在,現階段micro LED實際的功耗表現也差於OLED/LCD。但這些都可以理解為技術在新生階段遭遇工程層面的問題。

在談microLED的結構和原理之前,先來談談這項技術現階段的市場發展情況,對於micro LED離大規模量產可能還有多遠這個問題至少有大致的概念。

micro LED發展道路上比較具有代表性的事件是2014年蘋果(Apple)收購LuxVue——這直接刺激產業對micro LED技術的熱情,雖然micro LED在科研領域的出現甚至可以追溯到2000年前後;2016年,Oculus收購InfiniLED,並且與Plessey達成協議準備開發microLED AR顯示技術2017年,夏普(Sharp)與富士康(Foxconn)投資eLux。不久後Google對micro LED公司Glo AB進行投資,英特爾(Intel)則開始投資Alidia;三星(Samsung)與晶元光電(Epistar)、錼創科技(PlayNitride)合作預備生產miroLED電視。

microLED對於顯示產業的革新,甚至被視為中國企業在這一領域成為業界老大的機會。在具體的產品上,有企業在一些展會上將自家的micro LED產品或技術做展示。只不過這些基本屬於「亮肌肉」的常規操作。比如說2018年三星曾演示過一款宣稱應用了micro LED技術的146吋/219吋電視,名為The Wall,不過其LED晶片尺寸嚴格意義上已經大到不能算做micro LED了,且報導中146吋版的價格高於10萬美元。

索尼(Sony)更早應用了micro LED技術的CLEDIS面板電視則在當時報導的售價超過了100萬美元(2016年索尼發佈的220吋4KCLEDIS電視報價1.2億日元)。這兩年SID之類的展會上,一些主要的面板製造商普遍都會展出自家的microLED產品,且都有某種micro LED技術「首發」的名號,包括天馬、京東方、維信諾、友達光電等企業都有這方面的動作。

micro LED的應用可能遠超預期

在理解micro LED高成本和難以量產的問題之前,還是先來看看這項技術的實際吸引力在哪兒。就大方向來看,micro LED可替代LCD、OLED,佔據所有的顯示應用如AR/VR、穿戴式、手機、汽車、筆記型電腦、電視。不過micro LED的技術特性,又決定了它有著更大的應用延伸。本文不著重探討micro LED在普通照明(如健康醫療領域微型化的光電鑷子、光學耳蝸植入)、可見光通訊(VLC)等方面的應用,而關注它在顯示方面的應用。

首先在高ppi方面,雖然如今高階手機的畫素密度早就來到500ppi左右,但AR/VR對於畫素密度仍然有著不小的追求,尤其在高於1,000ppi的需求方面,micro LED有著得天獨厚的優勢,畢竟它尺寸很小。加上AR/VR在顯示亮度、對比度、回應時間方面的要求,micro LED能夠讓AR/VR的體驗上升一階。

在AR/VR應用上,LCD的光學層級結構顯得太過複雜,因此存在著較大程度的光和系統層面的損失與缺陷;而OLED則受限於有機材料發光特性,亮度本身就比較低。microLED則如前文所述,克服了兩位「前輩」的缺陷,在結構和材料層面超越LCD和OLED;雖然其EQE數值現階段仍然不是很好看。

另外,由於客觀製造條件和成本的限制(主要是在巨量轉移(mass transfer)製造階段,以及高電流密度更少受到側壁缺陷的影響),AR/VR、穿戴式裝置、投影機等會成為microLED率先登場的應用——它們對於高ppi有著更天然的需求,micro LED因此成為這些應用的絕對優選。

此外,micro LED在製造軟性螢幕、折疊螢幕、透明螢幕方面有著更天然的優勢。從直覺來看不難理解,更微小的micro LED稀疏地排佈於透明基板上,在大螢幕更低ppi的情況下,對於透明螢幕、軟性螢幕的製造自然更有價值。不僅是透明電視,汽車前擋風玻璃HUD透明顯示之類的應用也是有價值的。這些應用實際上都有對應的廠商做過宣傳,比如錼創科技就展示過micro LED製造的透明+軟性顯示器。

除了傳統顯示上的應用,micro LED還能應用於裸眼3D顯示——更小的畫素間隔、自發光特性、高亮度,讓光場顯示系統的緊湊方案成為可能。此外,在生物醫療和健康,如神經元刺激等,以及可見光通訊方面,micro LED都有應用前景。因此從市場價值來看,micro LED創造的市場規模中短期內都至少是以數十億計,當然前提是micro LED最終邁向成熟和大規模量產。

獨特結構可能改變顯示產業格局

圖1已經提到過micro LED螢幕的結構,用比較簡單的話來說,micro LED螢幕的製造常規分成三步(尤其是pick-and-place轉移LED方法)。第一步是在晶圓上生長出LED,第二步是製造背板(傳統螢幕的背板就是TFT),第三步則是將LED從晶圓上轉移到背板上。

從這個製造流程不難發現,microLED螢幕的結構比LCD和OLED都更簡單,這也決定了它可以做得更薄,而且從材料角度來看,比OLED具備更長的壽命和穩定性,不會對水和氧過分敏感。但這其中的任何一步都可謂難點重重。

一般micro LED晶片結構有兩大類,分別是倒裝晶片(flip-chip)和垂直結構,傳統的水平橫向結構不大適用於micro LED。根據最終的應用方向,現在的micro LED技術需要作出結構上的選擇,比如AR/VR更適用於垂直結構,因為有高ppi的需求。

比較有趣的是,就現階段micro LED材料、結構與製造製程,市場參與者的實施方案可能是存在較大差異的,都有各自的專有技術方法——這也說明這種技術處在新生階段,大家都在探討技術的最佳解(或這項技術天生具備了針對不同應用的多樣性)。

比較具有代表性的如垂直結構的磷化鋁鎵銦(AlInGaP)紅色microLED,可以搭配藍色和綠色的氮化銦鎵(InGaN) LED。AlInGaP垂直micro LED顯示面板的製造流程,在垂直結構中比較具有代表性;InGaN的垂直RGB micro LED也採用類似的製程流程。

另外,InGaN倒裝晶片結構也是一個大類,在製造方面與傳統的LED倒裝方案類似。此外還有色彩轉換量子點RGB結構,RGB micro LED是透過藍光/UV倒裝或垂直晶片microLED色彩轉換而來——這種方法比直接的RGB發光技術要簡單,因為實際上只使用一種色光的micro LED,但有色彩串擾、低效率等缺點。在具體的實施上也有多種方案,本文就不再多做贅述。

除了前面板以外,針對整個micro LED螢幕,再來談談背板部分,也就是控制每個畫素明滅和灰度級的電晶體電路層——以前這一層通常就是TFT。microLED當然也能直接應用TFT,包括非晶矽、LTPS等技術,但現有解決方案中micro LED背板部分也有應用CMOS方案。

CMOS相比a-Si/LTPS TFT的優勢主要包括,單晶矽具備更高的結晶品質和電性質,尤其是更高的電子遷移率。這一點實際上成為顯示向半導體進一步靠攏的部分,也對顯示領域的現有市場參與者提出了不同以往的要求。

加上micro LED整個顯示器的結構與組成部分的變化,包括晶圓製造、磊晶生長,以及接下來要提到LED晶片的mass transfer等,這可能導致顯示產業價值鏈的整體顛簸和重心遷移——甚至可能令部分傳統顯示企業的重要性在產業內顯著下降。

單晶矽電路可以採用更多IC製造工廠現有的設備設施和製程,提供高性能、高可靠性和小尺寸的CMOS。CMOS驅動的小尺寸和成熟性,能夠在顯示器上實現更多的功能特性,也為micro LED前面板的實施留下了更大的空間,在提升顯示品質的前提下縮減設備尺寸。

CMOS背板通常在半導體工廠以BCD (Bipolar-CMOS-DMOS)技術製造,0.18~0.35μm製程就可用於製造micro LED顯示器的CMOS背板。不過矽晶圓的尺寸限制與顯著高於TFT的成本,讓CMOS暫時也僅限於小尺寸(但高ppi)螢幕,是很小的那種,比如AR/VR這類對ppi有高要求但螢幕尺寸比較小的應用;而且單晶矽是不透明的,也部分局限了其應用場景。

micro LED主要技術挑戰

本文最後主要談談micro LED現階段遭遇的技術挑戰,也是使其難以實現大規模量產的一些原因。

事實上,micro LED製造中遇到的問題遠比以下列舉的挑戰更多。而且因為這些挑戰和問題的存在,有分析與諮詢機構猜測,micro LED未必會成為顯示技術的未來——畢竟電子產業內「竹籃打水一場空」的先例也不在少數。而且如前面所述,在通往microLED螢幕的這條路上,還沒有一個市場參與者約定俗成的標準化道路,這也進一步增加了micro LED的不確定性。

總的來說,micro LED的幾個重大技術挑戰包括了:mass transfer——也就是在microLED製造流程中,將LED從原晶圓遷移到背板上的過程;micro LED現階段較低的發光效率(EQE),以及micro LED更需要從系統的角度來選擇不同階段的製程技術;還有背板基板的製造、RGB三色實施方案等。

 

圖3:micro LED製造的重大技術挑戰。

(來源:eLux Display)

 

首先,比較為人所知的應該就是mass transfer了。之前提到的InGaN、AlGaInP不同色光也就是RGB的LED,生長在不同的基質上,這種晶圓上的磊晶生長有相對成熟的方案,當然這個過程本身也不同於常規方案。

但更大的挑戰出現在轉移這些LED的過程中,畢竟當這些LED的尺寸小到micro LED畫素等級,而且多達幾千萬顆的程度,比如4K解析度有超過800萬個畫素,每個畫素又有RGB三個子畫素,就有超過2,400萬顆LED需要轉移;轉移效率、對齊精準度、良率等相關的製程難度就會大出許多。

現有研究成果的主流方案有兩類,分別是直接整片全體轉移,以及間接的拾取並放置(pick-and-place)。整片轉移採用晶圓-to-晶圓或者裸晶-to-晶圓接合(bonding)的方法,這種方案適用於高ppi的小螢幕;而pick-and-place則比較複雜,是每次拿取一部分micro LED進行貼裝,並重複這個動作,有時需要借用載體。對於大尺寸顯示面板而言,這種方案更加適用。

pick-and-place技術有較高的複雜度,不同的市場參與者和研究機構有不同的方案,例如electrostatic transfer head、elastomer stamp transfer printing,以及fluidictransfer、雷射剝離等。

圖3上半部分展示的方案就是elastomer stamptransferprinting。這種方案是藉由一個具玻璃背板的高彈性載體,將LED批量轉移(據說一次可以轉移幾萬顆)到螢幕背板上;這個載體本身也是透明的,有利於光學對齊。有關如何附著、釋放,都是頗有門道的,還有像Lumiode這樣的公司,著眼於把背板直接堆在micro LED晶圓上面。這些只是列舉眾多方法中的一兩個。

其次,除了mass transfer之外,micro LED效率低下也是個大難題。如前文所述,microLED的EQE顯著低下。EQE是指發射到外部的光子數,與流過結的載流子數目之比。EQE越大,則LED發光效率越高。解決micro LED的發光效率問題,是這類螢幕實現大規模量產的基礎。

micro LED尺寸小,在大螢幕上受到比較嚴重的側壁效應影響(傳統LED本身很大,邊緣的尺寸相對的比例並不大,側壁效應影響很小)。各種側壁缺陷主要是蝕刻過程中出現,這些缺陷會導致非輻射複合。低電流密度下,micro LED的效率將非常低下。改進方法包括新型的LED晶片結構設計、製程流程改進等,減少側壁效應、提升EQE。

不過似乎現有micro LED方案EQE仍遠低於常規大尺寸的LED。在此,不同顏色的microLED材料選擇也會成為製造中的難點。

再者,從系統的角度來看,micro LED的生產製造對更多領域的專業知識有了新要求,包括晶圓製造、磊晶生長、mass transfer、背板製造等。而且每個階段都還沒有明確、統一的技術方向;它們彼此之間還形成了環環相扣的關係,甚至還需要考慮到最終應用是什麼,才能明確不同環節採用何種方案。

所以有諮詢機構認為,更具備垂直整合能力的市場參與者會在micro LED時代中嶄露頭角——比如蘋果可能會有希望,還有富士康/夏普,以及三星、LG,因為micro LED顯然是個更系統的過程。當然這可能也更考驗市場參與者之間的協同能力,而目前較為分散的micro LED技術實施方案顯然與之背道而馳。

其他micro LED相關的挑戰還包括測試方面(更小的micro LED對測試提出了高得多的要求,而且整個鏈條上的每個階段都需要做測試;需要開發新的測試方法;採用系統的工程方法涵蓋整個生產流程),以及一些更細緻的問題,如磊晶生長過程中波長一致性的控制,LED結構設計中波長偏移、光譜FWHM的降低,畫素發光串擾的控制(類似光暈效應),以及電路設計中提升波長與亮度一致性的補償電路等。

未來的不可知性

即便有這麼多技術挑戰,不少市場參與者在micro LED技術上的佈局都相當積極,尤其是中國顯示供應鏈相關的企業,面板製造商諸如京東方、TCL/華星光電、天馬微電子,LED供應商三安光電、華燦光電、國星光電、聚飛光電,紛紛在加大mini/micro LED兩類產品R&D方面的投入。

LED晶片製造商三安光電將mini/micro LED作為開發策略的重點,2019年三安光電就宣佈投資人民幣12億元在湖北鄂州的葛店經濟技術開發區針對研發生產做佈局;去年,三安光電與華星光電宣佈合作成立聯合實驗室,投入人民幣3億元共同開發micro LED材料、製造製程和設備。另外,還有諸如利亞德與晶元光電聯合投資人民幣數億元,在無錫生產mini/micro LED晶片和模組,加速新一代顯示解決方案的商業化進程等。

在micro LED這種技術的發展下,顯示產業可能會發生翻天覆地的變化。只是在針對micro LED市場的諸多猜測中,仍有相當一部分是對micro LED技術的質疑;即便從現有市場參與者的角度,他們都仍然認為micro LED的成熟可能還需要一段時間。市場仍有一定概率出現,micro LED會向前發展,但LCD和OLED仍長期統治市場。要知道,某個企業甚至產業點錯技能的情形,在科技領域是相當廣泛的,但我們期待著micro LED的進步和成熟。

本文同步刊登於EE Times Taiwan Digital數位板雜誌2021年7月號

 

 

 

 

 

 

 

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