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之前大家談Mini-LED的時候，有提到一個觀點，那就是至少現階段，Mini-LED將仍然僅用作液晶顯示器的一個組成部分。盡管許多LED供應商會將Mini-LED和Micro-LED技術放在一起討論，但實際上這兩者之間仍有相當大的差異。
根據外媒ee-paper報道，一般來說，傳統(tǒng)的LCD液晶顯示器都會含有一個背光模組，有了該背光模組LCD屏幕才能顯示出各種顏色。如果這種背光模組中使用的LED芯片非常小，例如今年蘋果公司推出的12.9英寸iPad Pro，背光單元中含有10000多顆LED芯片，那么這種產品多半使用了Mini-LED技術。如果LED尺寸更小，比如小于50μm——達到像素級，則這種LED稱為Micro-LED。
當背光單元中的每顆LED芯片對應一個像素時，傳統(tǒng)的液晶結構將會被顛覆。實際上，就發(fā)光原理而言，一般定義中的Micro-LED屏幕更接近OLED屏幕，其每個像素也屬于“自發(fā)光”，唯 一的區(qū)別是它使用的發(fā)光材料不是有機材料。另外，在面板結構方面，Micro-LED顯示器的結構也更簡化?；谶@樣的考慮，Micro-LED屏幕既不是LCD（因為它不再包含液晶層），也不是OLED（因為它不使用有機發(fā)光材料）。同時，這也是它不同于目前的Mini-LED技術的一個重要原因（雖然從LED角度來看，它只是LED芯片尺寸的減?。?。
由于結構簡單、非有機發(fā)光材料且具有像素級發(fā)光控制能力，Micro-LED顯示器幾乎在結合了LCD和OLED優(yōu)點的同時，還避免了兩者的各種缺點，例如這種屏幕亮度可以在長壽命的前提下實現非常高的亮度和對比度。這樣看，該技術是個不錯的解決方案，然而由于LED芯片尺寸的減小，顯示屏的結構也隨之發(fā)生了重大變化，這其中就伴隨出現了制造工藝復雜和顯示屏相關價值鏈的變化。
去年采訪默克中國總裁兼默克中國高性能材料部執(zhí)行副總裁安高博時，他提到：“半導體和顯示器正在加速融合。看到很多顯示器公司在介入，但他們需要了解半導體技術，同時半導體公司的發(fā)展也更加依賴顯示技術的進步。Micro-LED顯示器的生產過程與傳統(tǒng)的方式不同，它更接近半導體技術。”
默克公司作為一家顯示器材料供應商，目前也在討論這一點。事實上，除了LED芯片本身尺寸的減小外，業(yè)界小尺寸Micro-LED屏幕也更傾向于使用CMOS作為背板驅動技術，這和傳統(tǒng)液晶顯示器（如非晶硅和低溫多晶硅等）用TFT驅動方式不同。這應該是安高博提到的半導體和顯示器加速融合的重要表現之一。實際上，這可能會導致顯示行業(yè)價值鏈的劇烈變化，但要真正實現Micro-LED顯示器的大規(guī)模生產，業(yè)界還有很長的路要走。
本文將試圖從一個較為一般角度來討論這個問題：為什么這種面向未來的顯示技術如此神秘，它目前正面臨哪些挑戰(zhàn)，它相對于LCD和OLED又有什么優(yōu)勢？
談論顯示器的優(yōu)點，無非是對比顯示器的亮度、對比度、色域、壽命、響應時間和功耗等參數。BOE之前在公開演講中總結過一個表格，如圖2所示。盡管認為其中一些參數可能存在爭議，但從理論上講，Micro-LED顯示器在這些方面顯示出壓倒性優(yōu)勢，其中許多參數更是目前應用中夢寐以求的，比如幾個數量級的亮度提升。另外，Micro-LED技術還有一些未經認可的優(yōu)點，包括視角、ppi（像素密度）等。
不夠，表格中的一些參數還處于理論層面，例如EQE（External Quantum Efficiency，外部量子效率）和功耗。理論上，Micro-LED在這兩個參數方面也具有顯著優(yōu)勢，但是實際情況并不是這樣的。傳統(tǒng)藍色LED的EQE可以達到80%，但實際上，當這種藍色LED的尺寸減小到5-10μm，即Micro-LED尺寸級別時，其EQE會小于20%; 另外，由于側壁缺陷效應的存在，在這個尺寸層面，Micro-LED的實際功耗比OLED/LCD更差一些。當然，這些方面也正是該技術目前階段遇到的工程問題。
在討論Micro-LED顯示器的結構和原理之前，先談談這項技術的當前市場發(fā)展，至少要對Micro-LED顯示技術離大規(guī)模生產有多遠有個定性的概念。
Micro-LED發(fā)展道路上的一個代表性事件是2014年蘋果收購LuxVue公司，這一動作直接激發(fā)了業(yè)界對Micro-LED技術的熱情，盡管Micro-LED在科學研究中的出現可以追溯到2000年左右。2016年，Oculus收購了InfiniLED，并與Plessey達成協議，合作開發(fā)Micro-LED AR顯示技術。2017年，夏普和富士康投資了eLux公司。不久之后，谷歌投資了Micro-LED公司Glo AB，而英特爾也開始投資了Aledia公司。三星和Epistar及Chitron Technology也展開了合作，準備開發(fā)生產Micro-LED電視。實際上，中國面板和LED芯片制造商在Micro-LED技術方面也進行了大量投資，并成為了某些領域的行業(yè)領導者。
在具體產品方面，很多公司已經在一些展會上展示了自己的Micro-LED產品或技術，只是目前這還都是用來秀肌肉的。例如，2018年三星展示了一款146英寸/219英寸的電視，并聲稱應用了Micro-LED技術，稱為The Wall。不過實際上的情況是，這款產品用到的LED芯片尺寸太大，已經不是嚴格意義上的Micro-LED。
另外，索尼公司早期也采用Micro-LED技術開發(fā)了CLEDIS平板電視，當時的售價超過100萬美元（索尼2016年推出的220英寸4K CLEDIS電視，報價達1.2億日元）。在過去兩年的SID等展會上，一些主要面板制造商普遍都展示了自己的Micro-LED產品，這其中包括天馬、BOE、維信諾、友達等。
Micro-LED技術的應用
Micro-LED的應用可能遠遠超出預期，就總體方向而言，Micro-LED可以取代LCD和OLED，占據AR/VR、可穿戴設備、手機、汽車、筆記本電腦和電視等幾乎所有的顯示應用市場。實際上，Micro-LED技術的性能優(yōu)勢已經決定了它會有更大的應用范圍。這里不關注Micro-LED在普通照明（如醫(yī)療領域的小型光電鑷子、光學耳蝸植入）、VLC（可見光通信）等方面的應用，而僅關注其在顯示方面的應用。
首先，就高像素分辨率而言，盡管目前高端手機的像素密度已經達到約500ppi，但AR/VR對像素密度仍有很大的要求，特別是在高于1000ppi的需求方面，Micro-LED將具有獨特的優(yōu)勢，畢竟它的尺寸可以做得非常小。再加上AR/VR在顯示亮度、對比度和響應時間方面的優(yōu)勢，Micro-LED可以將AR/RR體驗提升到更高的水平。
AR/VR應用中使用LCD顯示技術，由于其光學設計過于復雜，光能和系統(tǒng)層面都存在很大程度的損耗；而OLED顯示技術，受到有機材料發(fā)光特性的限制，其亮度本身相對較低，很難進一步提高。如上所述，Micro-LED在結構和材料層面上可以很好地克服前兩代顯示技術的缺陷，盡管其EQE目前仍然不是很理想。
此外，由于客觀的制造和成本限制（主要在巨量轉移階段，高電流密度受側壁缺陷的影響較小），AR/VR、可穿戴設備、投影儀等應用將會成為Micro-LED最 新商業(yè)化的領域。此外，Micro-LED技術在柔性屏幕、折疊屏幕和透明屏幕的實現方面具有更天然的優(yōu)勢。理論上，不難理解較小的Micro-LED芯片可以稀疏地設計在透明基板上，在低ppi大尺寸屏幕的情況下，這種技術將更容易實現透明和柔性顯示。不僅是透明電視，Micro-LED在諸如汽車擋風玻璃上的透明HUD顯示器中也有非常大的應用價值。這些應用實際上已經由相應的制造商進行了非常廣泛的宣傳。例如，Chichuang技術公司就展示了一種由Micro-LED制成的透明柔性顯示器。
除了在傳統(tǒng)顯示器的應用中有替代性優(yōu)勢以外，Micro-LED技術還可以用于裸眼3D顯示器，該應用中更小的像素間距、自發(fā)光特性和高亮度讓光場顯示系統(tǒng)的緊湊解決方案成為可能。此外，如上所述，Micro-LED在生物醫(yī)學和健康領域也有著廣闊的應用前景，例如神經元刺激以及可見光通信方面。因此，從市場價值的角度來看，Micro-LED技術在中短期內可以創(chuàng)造的市場規(guī)模至少有數十億，當然這個前提還是Micro-LED技術本身最終能走向成熟和大規(guī)模生產。
如本文開頭提到的（如圖1所示），Micro-LED顯示技術的獨特結構本身，可能會慢慢改變目前的顯示行業(yè)格局的獨特結構。簡單地說，Micro-LED屏幕的制造過程通常分為三個步驟（尤其是LED芯片的Pick and Place拾取和轉移方案）。這其中第 一步是在晶圓上生長Micro-LED芯片，第二步是制造驅動背板（和傳統(tǒng)顯示器用到的TFT驅動背板類似），第三步是將這些Micro-LED芯片從晶圓轉移到驅動背板上。
看看這個制造過程，不難發(fā)現Micro-LED屏幕的結構比LCD和OLED的結構要簡單，這也決定了它可以做得更薄，并且從材料角度來看，它比OLED具有更長的壽命和穩(wěn)定性。但是目前，這些步驟中的每一步都有很多困難，許多瓶頸問題亟待解決。
通常，業(yè)界有兩種類型的Micro-LED芯片結構，即倒裝芯片和垂直結構，傳統(tǒng)的水平結構不適用于Micro-LED。根據最終的應用方向，當前的Micro-LED技術需要做出結構選擇。例如，由于對高ppi的需求，AR/VR更適合選用垂直結構。
有意思的是，在Micro-LED材料、結構和制造工藝的當前階段，市場參與者的開發(fā)方向可能會大不相同。在這樣的背景下，幾乎每個參與者都有著自己的專有技術方法，這也表明該技術還處于起步階段，每個人都在討論該技術的最佳解決方案。
垂直結構AlInGaP（磷化鋁鎵銦）等典型的紅色Micro-LED可以與藍色和綠色InGaN（氮化銦鎵）LED相匹配?；贏lInGaP材料的垂直結構Micro-LED顯示屏，其制造工藝在垂直結構中更具代表性，另外InGaN材料的垂直結構RGB Micro-LED也采用了類似的工藝流程。
此外，InGaN倒裝芯片結構也是一大類，它在制造方面類似于傳統(tǒng)的LED倒裝芯片解決方案。除此以外，使用量子點顏色轉換材料實現RGB結構（通過藍色/紫外倒裝芯片或垂直芯片Micro-LED激發(fā)顏色轉換材料實現三色顯示）要比直接三色顯示技術簡單，因為這種方案實際上只使用的了一種顏色的LED芯片。不過這種使用顏色轉換材料的方案也有自己的缺點，那就是這種方案一直存在顏色串擾和發(fā)光效率低等問題。
除了前面板結構外，對于整個Micro-LED屏幕來說，還要關注驅動背板部分。驅動背板實際上是晶體管電路層，它可以通過對電流的控制，調制每個像素（Micro-LED芯片）的亮度。當然，Micro-LED顯示器也可以直接應用傳統(tǒng)的TFT驅動方案，比如非晶硅、LTPS（低溫多晶硅）等，但現有解決方案中的Micro-LED背板還是會全部或部分地使用CMOS解決方案。
與a-Si/LTPS TFT驅動方案相比，CMOS方案的優(yōu)勢主要是單晶硅具有更高的晶體質量和電性能，尤其是更高的電子遷移率。這實際上已經成為顯示器進一步向半導體領域發(fā)展的一個不可缺少的組成部分，這一點對顯示器領域的現有市場參與者也提出了新的要求。
加上整個Micro-LED顯示屏的結構和組件的變化，包括晶圓制造、外延生長和下文提到的LED芯片巨量轉移，這所有問題都可能會導致顯示行業(yè)價值鏈的整體顛簸和轉變。這一過程中，一些傳統(tǒng)顯示公司在行業(yè)中的重要性可能因此發(fā)生變化。
單晶硅電路可以更多地利用IC制造廠現有的設備、設施和工藝，它們可以提供高性能、高可靠性和小尺寸CMOS驅動背板。實際上，CMOS驅動背板已經很成熟，其性能可能會讓顯示屏實現更多功能，比如更小的尺寸可以為Micro-LED前面板的設計留下空間，這可以讓設計者在提高顯示質量的前提下進一步縮小設備的尺寸。
在半導體工廠中，CMOS背板通常采用BCD（雙極CMOS DMOS）技術制造。0.18-0.35μm工藝可用于制造Micro-LED顯示器的CMOS背板。不過，硅片的尺寸限制以及比TFT方案高得多的成本，也會讓CMOS方案暫時局限于小尺寸（但高ppi）屏幕。這一類小尺寸高ppi屏幕適合AR/VR等應用。還有一個問題，單晶硅是不透明的，這也在一定程度上限制了其應用場景。
Micro-LED的關鍵技術挑戰(zhàn)
很難僅通過一篇文章就能完整介紹Micro-LED技術。以后，可以對每個細節(jié)都進行深入的分析。在本文的最后，將主要討論Micro-LED在目前階段遇到的技術挑戰(zhàn)，這也是導致其目前難以實現大規(guī)模生產的原因。
事實上，Micro-LED制造過程中遇到的問題遠不止以下列出的挑戰(zhàn)。由于這些挑戰(zhàn)和問題，一些分析師和咨詢機構推測，Micro-LED可能不會成為下一代顯示技術——畢竟，電子行業(yè)有許多類似的先例。此外，如上所述，在通往Micro-LED屏幕的道路上，沒有市場參與者同意的標準化道路，也會進一步增加Micro-LED技術走向市場的不確定性。
一般來說，目前Micro-LED商業(yè)化的幾個主要技術挑戰(zhàn)包括：巨量轉移——即在Micro-LED制造過程中，將LED芯片從原始晶圓轉移到驅動背板的過程；Micro-LED（EQE）當前的發(fā)光效率還很低；Micro-LED需要從系統(tǒng)的角度選擇不同的工藝技術；以及驅動背板的制造、紅綠藍三種顏色顯示的實現等。
首先，最為業(yè)內人士研究和忌憚的還是巨量轉移問題。在中國，所謂“巨量轉移”就是將Micro-LED芯片移動到驅動背板上的過程。上面提到的不同顏色的InGaN和AlGaInP LED，即紅綠藍單色LED芯片，生長在不同的晶圓上。在晶圓上進行外延生長有一種相對成熟的解決方案。當然，這個過程本身也不同于傳統(tǒng)的解決方案。
但在巨量轉移這些發(fā)不同顏色光的Micro-LED芯片過程中，會出現更大的挑戰(zhàn)。畢竟，當這些LED芯片的大小為像素級別，并且數量多達數千萬，例如，4K分辨率顯示器會用到800多萬像素，再考慮每個像素有三個RGB子像素，整個過程需要轉移2400多萬顆LED芯片。如此的數量會將轉移效率、對準精度、成品率等相關的工藝難度放大很多。
現有研究成果中的主流方案有兩種，即直接整個晶圓轉移和間接拾取轉移。整個晶圓芯片轉移需要采用晶圓對晶圓或芯片對晶圓鍵合的方法，適用于ppi較高的小尺寸屏幕；間接拾取和轉移方案更為復雜，生產時需要每次取一部分Micro-LED進行轉移放置，然后不斷重復該操作，對于大尺寸顯示面板，此解決方案更適用。
間接拾取和轉移技術具有相對較高的復雜性，不同的市場參與者和研究機構都有不同的解決方案，例如靜電轉印頭、彈性印章轉印、射流轉印、激光剝離等。
圖3所示的方案是一種基于彈性印章的轉印方案。這種解決方案是通過一個帶有玻璃驅動背板的高彈性載體將LED芯片分批（據說一次可以傳輸數萬顆LED芯片）轉移到屏幕的驅動背板上；因為載體本身是透明的，這有利于光學對準。另外還有很多方法可以實現這種“粘附”和“釋放”過程。
業(yè)界針對整個晶圓和芯片的鍵合方案也有研究，Lumiode這樣的公司就一直致力于將驅動背板直接鍵合到Micro-LED晶圓上。這里舉的例子，也只是眾多方法中的一個或兩個。
除了巨量轉移外，Micro-LED的低光學效率也是一個很大的問題。如前所述，Micro-LED的外量子效率EQE隨著尺寸的減小明顯降低。EQE指LED向外發(fā)射的光子數與注入PN結的載流子數之比。理論上，EQE越大，LED發(fā)光效率越高。從現在看來，解決Micro-LED的發(fā)光效率問題，將會是大規(guī)模生產這種屏幕的基礎。
Micro-LED芯片尺寸較小，在大尺寸屏幕應用中會受到側壁效應的嚴重影響（傳統(tǒng)LED本身尺寸很大，邊緣的相對尺寸不大，側壁效應很?。?。這些不同的側壁缺陷主要出現在蝕刻過程中，這些缺陷會導致非輻射復合。在低電流密度下，Micro-LED的光學效率將非常低。目前的改進方法包括新的LED芯片結構設計、工藝改進等，這些方案都是通過減少側壁效應來提高EQE的。
縱使這樣，現有Micro-LED解決方案的EQE似乎仍遠低于傳統(tǒng)的大尺寸LED。在這里，選擇不同顏色的Micro-LED材料也將成為制造中的一個難題。
此外，從更系統(tǒng)的角度來看，Micro-LED芯片的制造對更多領域的專業(yè)知識有了新的要求，包括晶圓制造、外延生長、巨量轉移和背板制造等。實際上，這些階段目前都還沒有一個明確統(tǒng)一的技術方向。另外，這些過程之間也形成了一種互鎖的關系，開發(fā)人員甚至需要考慮最終的應用是什么，以據此決定在不同的環(huán)節(jié)中采用哪些解決方案。
因此，一些咨詢機構認為，具有更多垂直整合能力的市場參與者將出現在Micro-LED時代，可能有希望的公司包括蘋果，富士康/夏普，以及三星、LG等公司。當然，這也可能會檢驗市場參與者之間的協同作用，不過目前市場中各自為政的制造現狀顯然與此期望相反。
其他與Micro-LED相關的挑戰(zhàn)還包括測試（較小的Micro-LED對測試也提出了更高的要求，需要在整個生產過程的每個階段都進行測試；需要開發(fā)新的測試方法；采用系統(tǒng)工程方法）；另外一些更詳細的問題，如外延生長過程中波長一致性的控制、LED結構設計中的波長偏移、光譜半寬度的減小、像素發(fā)光串擾的控制、光暈效應，以及電路設計中提高波長和亮度一致性的補償電路等。
未來的不可知性
盡管面臨如此多的技術挑戰(zhàn)，但許多市場參與者都非常積極地在部署Micro-LED技術，尤其是與中國國內顯示器供應鏈相關的一些公司和面板制造商，如京東方、TCL/CSOT、天馬微電子、LED供應鏈上三安光電、華燦光電、國星光電，聚飛光電均加大了對Mini/Micro-LED產品的研發(fā)投入。
LED芯片制造商三安電子一直致力于Mini/Micro-LED技術開發(fā)戰(zhàn)略。2019年，三安光電宣布在湖北省鄂州葛店經濟技術開發(fā)區(qū)投資12億元用于研發(fā)和生產。去年，三安光電宣布與華星光電合作建立聯合實驗室，并投資3億元共同開發(fā)Micro-LED材料、制造工藝和設備。此外，Leyard和Epistar也聯合投資數億元，在無錫生產Mini/Micro-LED芯片和模組，希望加速下一代顯示解決方案的商業(yè)化。
隨著Micro-LED技術的發(fā)展，顯示行業(yè)可能會發(fā)生翻天覆地的變化。在對Micro-LED市場的諸多猜測中，人們對Micro-LED技術也存有不少疑問；即使從現有市場參與者的角度來看，他們仍然認為Micro-LED可能還需要一些時間才能成熟。市場仍有一定的可能性出現，Micro-LED技術將向前發(fā)展，但LCD和OLED仍將在很長一段時間內主導市場。你必須知道，一家公司甚至一個行業(yè)在技術領域錯失了機遇的情況也相當廣泛，但未來期待著這種技術的進步和成熟。