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Micro LED技術概況

　　Micro LED技術，即LED微縮化和矩陣化技術。指的是在一個芯片上集成的高密度微小尺寸的LED陣列，如LED顯示屏每一個像素可定址、單獨驅動點亮，可看成是戶外LED顯示屏的微縮版，將像素點距離從毫米級降低至微米級。

　　而Micro LED display，則是底層用正常的CMOS集成電路制造工藝制成LED顯示驅動電路，然后再用MOCVD機在集成電路上制作LED陣列，從而實現了微型顯示屏，也就是所說的LED顯示屏的縮小版。

　　Micro LED的像素單元在100微米(P0.1)以下，并被高密度地集成在一個芯片上。微縮化使得MicroLED具有更高的發光亮度、分辨率與色彩飽和度，以及更快的顯示響應速度，預期能夠應用于對亮度要求較高的增強現實(AR)微型投影裝置、車用平視顯示器(HUD)投影應用、超大型顯示廣告牌等特殊顯示應用產品，并有望擴展到可穿戴/可植入器件、虛擬現實(VR)、光通訊/光互聯、醫療探測、智能車燈、空間成像等多個領域。

　　顧名思義，Micro LED就是“微”LED，作為一種新顯示技術，與其它顯示技術，比如LCD，OLED，PDP，其核心的不同之處在于其采用無機LED作為發光像素。對于“Micro”這個概念，到底定義是多少呢?像素尺寸一般要到100μm以下。

　　LED并不是一個新事物，作為發光二極管，其在顯示上的應用本應該是順理成章的事情。但是很長一段時間，除了戶外廣告屏上的應用之外，LED顯示應用一直不能發展起來，其原因是：a.要做到手機屏/電視這種級別的顯示器，LED像素在尺寸上難以做小;b. LED外延晶片與顯示驅動工藝不兼容，且需考慮大尺寸顯示的問題，所以針對Micro LED需要開放合適的背板技術。c. 如何將“巨量”的三色微小LED轉移到制作好驅動電路的基底上去，即“巨量轉移”技術，也是決定Micro LED能否商業的關鍵。

　　由于像素單元低至微米量級，Micro LED顯示產品具有多項性能指標優勢。Micro LED功率消耗量僅為LCD的10%、OLED的50%，其亮度可達OLED的10倍，分辨率可達OLED的5倍。

　　在設備兼容性方面，Micro LED有望承接液晶顯示高度成熟的電流驅動TFT技術，在未來顯示技術演進進程中具有一定優勢。根據LEDinside預估，2022年Micro LED顯示的市場銷售額將達到6.94億美元，略高于Mini LED顯示。Micro LED與LCD、OLED和量子點LED(QLED)顯示的性能比較如下表所示：

　　1 Micro LED 顯示原理

　　系將LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1~10μm等級左右;后將μLED批量式轉移至電路基板上(含下電極與晶體管)，其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上;再利用物理沉積制程完成保護層與上電極，即可進行上基板的封裝，完成一結構簡單的Micro LED Display。

圖片來源：DJ理財網

　　2 Micro LED典型結構

　　PN接面二極管，由直接能隙半導體材料構成。當上下電極施加一順向偏壓于μLED，致使電流通過時，電子、電洞對于主動區(Active region) 復合，而發射出單一色光。μLED發光頻譜其主波長的半高全寬FWHM僅約20nm，可提供極高的色飽和度，通常可大于120%NTSC。

　　且自2008年后LED光電轉換效率大幅提高，100 lm/W以上的LED已成量產之標準。而在Micro LED Display的應用上，為自發光的顯示特性，輔以幾乎無光耗元件的簡易結構，故可輕易達到低能耗(10%~20% TFT-LCD能耗) 或高亮度(1000nits以上) 的顯示器設計。即可解決目前顯示器應用的兩大問題，一是穿戴型裝置、手機、平板等設備，有8成以上的能耗在于顯示器上，低能耗的顯示器技術可提供更長的電池續航力;一是環境光較強(例：戶外、半戶外)致使顯示器上的影像泛白、辨識度變差的問題，高亮度的顯示技術可使其應用的范疇更加寬廣。

　　3 Micro 顯示原理

　　像素結構

　　Micro LED顯示一般采用成熟的多量子阱LED芯片技術。以典型的InGaN基LED芯片為例，Micro LED像素單元結構從下往上依次為藍寶石襯底層、25nm的GaN緩沖層、3μm的N型GaN層、包含多周期量子阱(MQW)的有源層、0.25μm的P型GaN接觸層、電流擴展層和P型電極。像素單元加正向偏電壓時，P型GaN接觸層的空穴和N型GaN層的電子均向有源層遷移，在有源層電子和空穴發生電荷復合，復合后能量以發光形式釋放。

　　與傳統LED顯示屏相比，Micro LED具有兩大特征，一是微縮化，其像素大小和像素間距從毫米級降低至微米級;二是矩陣化和集成化，其器件結構包括CMOS工藝制備的LED顯示驅動電路和LED矩陣陣列。

　　陣列驅動

　　InGaN基Micro LED的像素單元一般通過以下四個步驟制備。第一步通過ICP刻蝕工藝，刻蝕溝槽至藍寶石層，在外延片上隔離出分離的長條形GaN平臺。第二步在GaN平臺上，通過ICP刻蝕，確立每個特定尺寸的像素單元。第三步通過剝離工藝，在P型GaN接觸層上制作Ni/Au電流擴展層。第四步通過熱沉積，在N型GaN層和P型GaN接觸層上制作Ti/Au歐姆接觸電極。其中，每一列像素的陰極通過N型GaN層共陰極連接，每一行像素的陽極則有不同的驅動連接方式，其驅動方式主要包括被動選址驅動(PassiveMatrix，簡稱PM，又稱無源尋址驅動)、主動選址驅動(ActiveMatrix，簡稱AM，又稱有源尋址驅動)和半主動選址驅動三種方式。

　　其中，被動選址驅動是把像素電極做成矩陣型結構，每一列(行)像素的陽(陰)極共用一個列(行)掃描線，兩層電極之間通過沉積層進行電學隔離，以同時選通第X行和第Y列掃描線的方式來點亮位于第X行和第Y列的LED像素，高速逐點(或逐行)掃描各個像素來實現整個屏幕畫面顯示的模式。

　　主動選址驅動模式下，每個 Micro LED 像素有其對應的獨立驅動電路，驅動電流由驅動晶體管提供。基本的主動矩陣驅動電路為雙晶體管單電容電路。每個像素電路中，選通晶體管用來控制像素電路開關，驅動晶體管與電源連通為像素提供穩定電流，存儲電容用來儲存數據信號。為了提高灰階等顯示能力，可以采用四晶體管雙電容電路等復雜的主動矩陣驅動電路。

　　半主動選址驅動方式采用單晶體管作為 Micro LED 像素的驅動電路，從而可以較好地避免像素之間的串擾現象。半主動驅動由于每列驅動電流信號需要單獨調制，性能介于主動驅動和被動驅動之間。

　　4 芯片制備

　　與LED顯示相同，Micro LED芯片一般采用刻蝕和外延生長(Epitaxy，又稱磊晶)的方式制備。芯片制作流程主要包括以下幾步：

　　襯底制備，用有機溶劑和酸液清洗藍寶石襯底后，采用干法刻蝕制備出圖形化藍寶石襯底。

　　中間層制備，利用MOCVD進行氣相外延，在高溫條件下分別進行GaN緩沖層、N型GaN層、多層量子阱、P型GaN層生長制備。

　　臺階刻蝕，在外延片表面形成圖形化光刻膠，之后利用感應耦合等離子體刻蝕(ICP)工藝刻蝕到N型GaN層。

　　導電層制備，在樣品表面濺射氧化銦錫(ITO)導電層，光刻形成圖形化ITO導電層。五是絕緣層制備，利用等離子體增強化學的氣相沉積法(PECVD)沉積形成SiO2絕緣層，之后經光刻和濕法刻蝕。

　　電極制備，采用剝離法等方法制備出圖形化光刻膠，電子束蒸發Au后利用高壓剝離機對光刻膠進行剝離。

圖片來源：DJ理財網

　　5 Micro LED背板

　　從應用來看，大尺寸顯示器顯示屏因顯示面積大以至于畫素間距也較大，在背板的選用上會有PCB與Glass的選擇。中型尺寸的車用顯示器則不使用線寬線距較大的PCB，而以線寬線距極限略小于PCB 的Glass以及FPC為主。小尺寸的手機與手表以適合中小型顯示需求的玻璃與FPC的背板為主。

　　在微投影與顯示的擴增實境/虛擬實境的背板顯示需求將會微縮至30μm等級以下，因此將會以可微縮線寬線距半導體制程的 Si CMOS 背板為主，并背搭配眼鏡需透光的需求也會有光學式FPC的應用需求。

　　從基板材質看，Micro LED芯片和背板的鍵合的基材主要有PCB、玻璃和硅基。根據線寬、線距極限的不同，可以搭配不同的背板基材。其中，PCB 基板的應用最為成熟。

　　另外CMOS工藝，其采用鍵合金屬實現LED陣列與硅基CMOS驅動背板的電學與物理連接。制作過程中，首先在CMOS驅動背板中通過噴濺工藝熱沉積和剝離工藝等形成功能層，再通過倒裝焊設備即可實現LED微顯示陣列與驅動背板的對接。

圖片來源：賽迪智庫

　　Micro LED瓶頸——“巨量轉移”技術（Mass Transfer）

　　如上面所講，制作好的微小的LED需要轉移到做好驅動電路的基底上。想想看，無論是TV還是手機屏，其像素的數量都是相當巨大的，而像素的尺寸又是那么小，并且顯示產品對于像素錯誤的容忍度也是很低的，沒有人愿意去購買一塊有“亮點”或“暗點”的顯示屏，所以將這些小像素完美地轉移到做好驅動電路的襯底上并實現電路連接是多么困難復雜的技術。實際上，“巨量轉移”確實是目前Micro LED商業化上面的一大瓶頸技術。其轉移的效率，成功率都決定著商業化的成功與否。

　　巨量轉移技術（Mass Transfer）

　　目前看來，“巨量轉移”都還是一個“量產前”技術，為了實現“巨量轉移”的目標，市面上一些相當不一樣的技術。現在總結如下：

　　如上圖所示，目前根據已有的資料調查顯示，巨量轉移技術按照原理的不一樣，主要分為四個流派：精準抓取，自組裝，選擇性釋放和轉印技術。

　　但是即使是屬于同一個技術流派，實現的方式也是很有差別，因此很難給出一個精準的劃分。如下列出在巨量轉移上開展開發的一些廠商：

　　Luxvue, Cooledge, VueReal, X-Celeprint, ITRI, KIMM, Innovasonic, PlayNitride, ROHINNI, Uniqarta, Optivate, Nth degree, e-Lux, SelfArray

　　3.1 Pick&Place技術

　　3.1.1 采用范德華力

　　如下為X-Celeprint的Elastomer Stamp技術，這屬于pick&place陣營的范德華力派。其采用高精度控制的打印頭，進行彈性印模，利用范德華力讓LED黏附在轉移頭上，然后放置到目標襯底片上去。目前采用的彈性體(Elastomer)一般是PDMS。X-Celeprint也稱其技術為Micro-Transfer_Printing(μTP)技術。

　　要實現這個過程，對于source基板的處理相當關鍵，要讓制備好的LED器件能順利地被彈性體材料(Elastomer)吸附并脫離源基底，先需要通過處理LED器件下面呈現“鏤空”的狀態，器件只通過錨點(Anchor)和斷裂鏈(Techer)固定在基底上面。當噴涂彈性體后，彈性體會與器件通過范德華力結合，然后將彈性體和基底分離，器件的斷裂鏈發生斷裂，所有的器件則按照原來的陣列排布，被轉移到彈性體上面。制作好“鏤空”，“錨點”和“斷裂點”的基底見下圖所示。

　　Rogers, J. A., et al. (2011). Unusual strategies for using indium gallium nitride grown on silicon (111) for solid-state lighting, PNAS

　　X-Celeprint在其發表在“2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference”上面的論文，展示了一些源基板制作的一些概念。如下圖所示，通過對器件底部的一些處理，然后通過刻蝕的方法，可以制作成時候這種轉移方式的器件結構。但是詳細的工藝，仍然還有待確認。

　　如下為X-Celeprint公司展示的實例。

　　3.1.2 采用磁力

　　利用磁力的原理，是在LED器件中混入鐵鈷鎳等材料，使其帶上磁性。在抓取的時候，利用電磁力控制，達到轉移的目的。

　　目前ITRI，PlayNitride在這方面做了大量的工作。

　　3.1.3 采用靜電力

　　Luxvue是蘋果公司在2016年收購的創業公司。其采用的是靜電力的peak-place技術。其具體的實現細節我沒有查到，只有如下的兩個專利或許能透漏出其細節的一鱗半爪。希望后面能得到更多的細節。采用靜電力的方式，一般采用具有雙極結構的轉移頭，在轉移過程中分布施加正負電壓，當從襯底上抓取LED時，對一硅電極通正電，LED就會吸附到轉移頭上，當需要把LED放到既定位置時，對另外一個硅電極通負電，轉移即可完成。

　　3.2 自組裝技術

　　美國一家新創公司SelfArray展示了其開發的自組裝方式。首先，其將LED外表包覆一層熱解石墨薄膜，放置在磁性平臺，在磁場引導下LED將快速排列到定位。采用這種方式，應該是先會處理磁性平臺，讓磁性平臺能有設計好的陣列分布，而分割好的LED器件，在磁場的作用下能快速實現定位，然后還是會通過像PDMS一類的中間介質，轉移到目標基底上去。根據推測，這種技術方式的好處有如下：

　　避免對源基板的器件進行復雜的結構設計去適應巨量轉移工藝。

　　因為LED會批量切割，因此可以在轉移前進行篩選，先去除不合格的LED。

　　采用磁性自組裝，預計時間會更加快速。

　　源基板不需要過多考慮目標基板的實際陣列排布，預期可以有更大的設計空間。

　　還有一家利用流體進行自組裝裝配的企業是eLux。eLue于2016年在美國成立，eLux與日本夏普的淵源很深，CEO Jong-Jan Lee與CTO Paul Schuele均出自夏普美國實驗室(Sharp Laboratories of America)。2017年富士康通過其子公司CyberNet Venture Capital向其注資1000萬美元，2018年有于群創光電,AOT和夏普一起，正式收購eLux的全部股權。所謂流體自組裝，就是利用流體的力量，讓LED落入做好的特殊結構中，達到自組裝的效果。

　　3.3 選擇性釋放技術

　　Uniqarta是一家英國公司，其采用其成為LEAP(Laser-Enabled Advanced Placement)技術。通過激光束對源基底的快速掃描，讓其直接脫離源基板而集成到目標基板上。對于這種技術的前景，目前仍然需要更多技術細節的支持。

　　Uniqarta's LEAP技術

　　而Coherent的方案與Uniqarta有些類似，但其也要用到中介轉移的載體，不過對于載體和源基底的分離，其采用的是線激光束。而將LED器件從載體轉移到目標基底，則采用了點激光。

　　3.4 轉印技術

　　如下為KIMM公司的轉印技術技術，轉印技術通過滾輪將TFT與LED轉移到玻璃基底上面。對于這種技術，技術難度看起來非常大，特別是在于如果保證生產良率上面。

　　4 Micro LED其它需要關注的問題

　　除了巨量轉移之外，Micro LED的整個工藝鏈都需要投入大量的時間去予以改進和優化。如下圖所示，為Micro LED產品生產的工藝鏈，其中就涉及到：襯底材料和尺寸的選擇，外延工藝的選擇，彩色實現的方案，巨量轉移技術的選擇，缺陷的檢測和維修和整個工藝鏈上成本的壓縮等等。這必將花費業界大量的時間去持續推進。

02

2023年Micro LED產業進程

　　LEDinside在此對今年以來的Micro LED各類動態進行了收集整理，回顧Micro LED產業發展的最新進程。

03

Micro LED的六大核心難關

　　Micro LED 的工藝流程包括襯底制備、外延片與晶圓制備、像素組裝、缺陷監測、全彩化、光提取與成型、像素驅動等7個環節，具體來說其產業鏈包括芯片制造、巨量轉移、面板制造、封裝/模組、應用及相關配套產業。Micro LED 芯片微小化也使得傳統的制造技術不再適用，在芯片制備的各個環節都面臨著全新的技術挑戰 ，成本居高不下，這也制約了 Micro LED 芯片當前的滲透率。

　　難點一：微縮芯片及外延

　　目前，半導體芯片的制程已相當成熟，但 Micro LED 支撐技術及相關產業公司仍處于摸索階段。與傳統 LED 產業鏈相比，Micro LED 芯片的微縮化對芯片制造提出了更高的要求，既需要將芯片尺寸微縮至50um以下，同時還需要滿足高 PPI 需求 ，因此在外延制備、PL、ITO、光刻、蝕刻、磊晶剝離、電測等環節均面臨精細化工藝、良率提升等技術難關。

　　此外，隨著 LED 芯片尺寸變小，蝕刻過程中側壁缺陷將對內部量子效率 IQE 造成影響，大幅減少芯片傳輸量，導致外部量子效率 EQE 效率減弱 。目前來看，反射膜添加劑引入光提前結構均可實現一定程度的 EQE 提升，但在小型領域應用仍屬于工程問題，未來發展仍存在挑戰。

　　難點二：巨量轉移

　　由于 Micro LED 的芯片尺寸小，相較傳統 LED 單位面積下晶粒數量龐大，需要將大量 LED 晶粒準確且高效轉移至電路板上。以3840*2160的4K顯示為例，需轉移晶體數量超過2,000萬，按照常規轉移效率計算，需要幾日甚至幾周才能完成全部的晶粒轉移，晶粒轉移效率及良率控制未達到量產標準，難以形成規模效應，制備成本及產品價格居高不下。

　　巨量轉移被認為是實現 Micro LED 價格大規模降低、從而實現其商業化落地的核心技術之一。若巨量轉移技術取得突破，將帶來一個廣闊的轉移設備市場。

　　針對這一技術難點，業內的主流解決方案目前包括靜電吸附、相變化轉移、流體裝配、滾軸轉印、磁力吸附、范德華力轉印、激光轉移等。激光轉移在修復難度和轉移效率等維度上效果更優，未來有可能成為巨量轉移的主流技術。

　　早在2012年，蘋果、三星、索尼等行業巨頭相繼布局巨量轉移技術，國內起步較晚，專利方面也主要由外國廠商占據主導地位。 根據 Yole 出具的 Micro LED 顯示專利報告，LuxVue 和 X-celeprint 把持著巨大的專利數量，ITRI(臺灣工研院)、CSOT(華星光電)緊隨其后，但專利數量仍不及 LuxVue 半數，差距懸殊。

　　我們持續關注行業內企業在巨量轉移方面的最新進展。以光源服務的合肥欣奕華為例，合肥欣奕華致力于提供高端裝備、工業機器人、智慧工廠解決方案，掌握多項高端裝備核心技術，填補國內 Micro LED 和 OLED 空白，是推進中國智能制造發展的領軍企業之一。公司自主研發的蒸鍍設備、巨量轉移設備在國產設備中市占率第一，已在半導體、顯示面板、光伏等賽道擁有超百家賽道知名客戶。

　　難點三：全彩化

　　顯示器的色彩顯示需要通過全彩化技術來實現，這也是 Micro LED 的核心技術難點之一。目前 Micro LED 在近眼顯示領域尚無法實現全彩的高亮顯示，在 AR/VR 等對分辨率、色彩顯示要求極高的應用場景仍面臨巨大挑戰。

　　Micro LED 單色顯示僅需通過倒裝結構封裝與驅動 IC 貼合，顯示、制備與工藝難度相對較低，而全彩化方案工藝復雜度相對較高，現有的解決方案有 RGB 三色 LED 法、UV/藍光LED+發光介質法、透鏡合成法，但目前均存在相應的短板。以 RGB 三色陣列為例，需要依次轉貼紅、藍、綠晶粒。同時，由于嵌入晶粒規模超過十萬，對于晶粒光效、波長的一致性、良率要求更高。一旦實際輸出電流與理論電流出現偏差，就會導致像素呈現色彩偏差。

　　在工藝流程和材料方面，UV/藍光LED+發光介質法相較其他方案更為簡單，主要采用藍光 LED 來替換背光板、以量子點膜或熒光粉作為發光介質替代 RGB 濾光片。量子點膜的粒徑介于1-10nm之間，較熒光粉顆粒更小，同時因其高吸光-發光效率、寬吸收頻譜等特性，色彩純度與飽和度更高，是比熒光粉更優的技術方案。 以藍光 LED 替換背光板光源后，量子點膜在藍光激發下可發出純正的綠光和紅光，完成全彩顯示。

　　我們認為，未來隨著量子點技術的完善，UV/藍光LED+發光介質法具備更大的發展前景，有望成為全彩化的主流技術，且量子點在 LCD、OLED 中也均可發揮巨大作用，建議關注在量子點具有深厚技術沉淀的公司。

　　難點四：檢測

　　由于 Micro LED 的芯片尺寸和間距極小，傳統的測試設備難以使用，如何在百萬甚至千萬級的芯片中對缺陷晶粒進行檢測、修復或替換是一個巨大的挑戰。現有的解決方案包括光致發光測試和電致發光測試。光致發光測試主要利用光源激發硅片或太陽電池片，通過對特定波長的發光信號進行采集、數據處理，從而識別芯片缺陷。電致發光測試則是指，在強電場作用下，芯片中的電子成為過熱電子后，根據其回到基態時所發出的光來檢測芯片缺陷。

　　難點五：芯片封裝

　　Micro LED 相較傳統 LED 芯片間距小，這也導致貼片難度增加，成本也會面臨指數型增長。現有的解決方案以 COB 和 COG 封裝為主，近來也出現了新型封裝技術 MIP，全稱 Micro LED in Package，即集成封裝。MIP 在成本和效率上更具優勢，它的基板精度高，芯片無需測試篩選，測試分選在封裝環節即可完成。此外，由于點測難度從芯片級難度轉換為引腳上的點測，測試難度降低，并且可采用巨量轉移技術，具備較大發展前景。

　　難點六：基板制造

　　作為傳統顯示領域的固定鏈條，基板材料一直處于穩定地位，常見的材料包括 PCB、玻璃基板。Micro LED 入局可以促成對現有產能的消化，不過這也需要基板廠商為巨量轉移技術做好承接。Micro LED 更容易在平整的玻璃基板上實現巨量轉移，玻璃基板發展潛力更大。

　　5 總結

　　Micro LED作為一種新興的顯示技術，目前在業界得到了廣泛的關注。由于其采用無機LED發光，所以較LCD，OLED等技術有獨特的優勢。但是，目前Micro LED收到一些瓶頸技術的限制，特別是巨量轉移工藝上，即使業界能夠在有所突破，但要真正提高良率，降低成本，也需要花費時日。并且，整個工藝鏈的完善也非朝日之功，因此，Micro LED要大規模量產并替代現有產品，應該還需要時間。