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南京中電熊貓平板顯示技術有限公司工程師崔曉晨

　　在2016中國平板顯示學術大會的新型顯示及觸控技術的分論壇上，南京中電熊貓平板顯示技術有限公司工程師崔曉晨給我們分享了一些Micro LED的技術。以下為演講文字實錄：

　　LCD顯示器是目前發(fā)展較為成熟的微顯示技術，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，應用場景受到很大限制。OLED型微顯示器是一種有機電致發(fā)光的全固體顯示器件，雖然有許多優(yōu)點，但由于核心部分為有機材料，目前仍存在著不易實現(xiàn)全彩顯示、有機發(fā)光層制作困難以及有機物老化導致壽命較短等缺陷。因此，另一種直接利用三原色LED做為自發(fā)光顯示點畫素的Micro LED Display的技術也正在發(fā)展中。

　　隨著LED的成熟與演進，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的技術整合與開發(fā)，然因Micro LED Display尚未有標準的μLED結構、量產(chǎn)制程與驅動電路設計，各廠商其專利布局更是兵家必爭之地。到2016年被Apple并購的LuxVue、Mikro Mesa、Sony、Leti等公司皆已具數(shù)量規(guī)模的專利申請案，更有為數(shù)眾多的公司與研究機構投入相關的技術開發(fā)。

　　Micro LED Display綜合TFT-LCD和LED兩大技術特點，在材料、制程、設備的發(fā)展較為成熟，產(chǎn)品規(guī)格遠高于目前的TFT-LCD或OLED，應用領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結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1-10微米等級左右;然后將Micro LED批量轉移至電路基板上，其基板可為硬性、軟性的透明、不透明TFT背板，TFT技術等級為IGZO、LTPS、Oxide;再利用物理沉積制程完成保護層與上電極，進行上基板的封裝，完成Micro LED顯示。Micro LED陣列的每一個像素可定址、單獨驅動點亮，通過電極線的依序通電點亮Micro LED以顯示影像。

　　Micro LED典型結構是一PN結面二極管，由直接能隙半導體材料構成，采用成熟的多量子阱(MQWs)LED芯片技術，最大限度地體現(xiàn)LED器件作為顯示器的優(yōu)勢。通過對Micro LED上下電極施加一正向偏壓，致使電流通過時，電子、空穴在主動區(qū)復合，發(fā)射出單一色光。目前做LED是分為三種結構，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，然而這些結構很難實現(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構LED，管芯的側面為斜面，LED的這種幾何外形可以使內部反射的光從側壁的內表面再次傳播到上表面，而以小于臨界角的角度出射。同時傳播到上表面大于臨界角的光重新從側面出射。這兩種過程能同時減小光在內部傳播的路程，外量子效率提高。

　　下面講一下Micro LED的轉運技術：

　　由于晶格匹配的原因，LED微器件必須先在藍寶石、SiC、Si等襯底上通過分子束外延生長出來。而做成顯示器，必須要把LED發(fā)光微器件轉移到玻璃基板上，對于微器件的多次轉運技術難度都特別高，而用在追求高精度顯示的產(chǎn)品上難度就更大。通過此前蘋果收購LuxVue后公布的獲取專利名單也可以看出，大多都是采用電學方式完成轉運過程，所以說納米級LED的轉運技術是LuxVue的關鍵核心技術。四個主要的轉運設備、轉移頭、轉運方式、穩(wěn)定裝置。轉運方式目前采用熱或者是壓力的作用把Micro LED的生長轉移到基板上，然后通過間隔層間隔到承載基板，這個間隔層可以通過溫度的改變來改變。

　　Micro LED轉運方式目前主要分為三類：芯片級焊接、晶圓外延級焊接、薄膜轉移。

　　芯片級焊接：將LED切割成一顆顆微米等級的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板)，利用表面貼裝技術鍵接于驅動背板上。

　　晶圓外延級焊接：在LED的磊晶薄膜層上刻蝕形成微米等級的Micro LED磊晶薄膜結構，此結構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)直接鍵接于驅動背板上，最后使用物理或化學機制剝離基板，僅剩4——5μm的Micro LED磊晶薄膜結構于驅動背板上形成顯示像素。

　　薄膜轉移：使用物理或化學機制剝離LED基板，以一暫時基板承載LED磊晶薄膜層，再刻蝕形成微米等級的Micro LED磊晶薄膜結構，最后根據(jù)驅動背板所需顯示像素點間距，利用具有選擇性的轉移治具，將Micro LED磊晶薄膜結構進行批量轉移，鍵接于驅動背板上形成顯示像素。

　　下面是對三個轉運方式的一個對比(PPT)，第一個方式就是沒有尺寸限制，但是批量轉移的能力會比較小，成本也比較高，相對來說比較適合小尺寸，我們了解到Sony比較適合。薄膜轉移技術相對外延轉移是比較好的，也是沒有尺寸限制，間距也是可以調的。下面的這個公司也是采用的這個公司。

　　這些是我們了解到的開發(fā)的企業(yè)，從這個表格中我們可以看到，對Micro LED的顯示技術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)研究機構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就申請了名為“Micro-led array with enhanced light extraction”的專利，隨后相關論文發(fā)表也很多。學界對Micro LED的投入一直持續(xù)，University of IIIinois的John A. Rogers就是這個領域的大師;LED廠、面板廠也秘密研發(fā)多年，但商業(yè)化的關鍵角色，還是非兩位消費電子霸主“Sony”和“Apple”莫屬。

　　通過前面的對比，Sony 優(yōu)先把顯示屏幕尺寸做大，將目標設定在遠距離觀賞，由于需用的 LED 顆數(shù)多，導致制作費工費時，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，做高畫質顯示，但只做用于穿戴式設備的小尺寸顯示器，避免因累計良率過低，價格無法達商業(yè)化水平，日前蘋果的臺灣龍?zhí)稄S已實驗性點亮了 6 寸的 Micro LED 顯示器。

　　下面是Micro LED的全彩顯示：一個是三色LED陳列混合，通過三種顏色芯片和合色棱鏡的作用顯示彩色圖像。藍光+三色熒光粉，采用藍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的熒光粉，白光+濾光片，通過藍光混合黃光熒光粉產(chǎn)生白光，再通過濾光片取色。

　　LED的驅動方式：Micro LED陣列經(jīng)由垂直交錯的正、負條狀電極連接每一顆Micro LED的正、負極。受驅動方式的限制，此方式無法較好的實現(xiàn)高分辨率顯示。所有Micro LED負極通過共用層形成連接，正極與驅動背板進行金屬鍵合，通過互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路驅動。不受掃描電極數(shù)的限制，可以對各像素獨立進行選擇性調節(jié)。驅動電路藏于顯示屏內，更易于實現(xiàn)集成度和小型化，適合多數(shù)應用場合。

　　Micro LED存在的問題，主要的困難點有三點：以目前已成熟的LED燈條制程為例，在制作一LED燈條尚有壞點等失敗問題發(fā)生，而一片顯示器上要嵌入數(shù)百萬顆微型LED，良率表現(xiàn)相對較差。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陣列通過倒裝結構封裝和驅動IC貼合就可以實現(xiàn)，但RGB陣列需要分次轉貼紅、綠、藍三色晶粒，需要嵌入幾十/百萬顆LED晶粒，對于LED晶粒光效、波長的一致性、良率要求更高。#p#分頁標題#e#

　　Micro LED的優(yōu)勢和劣勢：比較突出的三個方面優(yōu)勢：具備無機LED高效率、高亮度、高可靠度、反應時間快的特點。自光無需背光源，更具節(jié)能、機構簡易、體積小、薄型等優(yōu)勢。解析度超高，因為超微小，表現(xiàn)的解析度特別高。相比OLED，色彩更容易準確的調試，有更長的發(fā)光壽命和更高的亮度以及具有較佳的材料穩(wěn)定性。昨天幾個院士也講Micro LED還是比較適合在小尺寸上應用，因為它的成本上也比較高，大面積應用的話。

　　Micro LED的應用前景：雖然目前還沒有發(fā)展起來，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。還有一點是Micro LED間距則足以整合多個甚至多樣感測器，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器有限，所以在穿戴式設備、智能手機等應用上也將扮演關鍵角色，目前來看它的發(fā)展前景還是很不錯的。