microled:显示器的下一次革命?

随着更多的设备需要更多的屏幕，平板显示技术在多个领域呈现爆炸式增长。但有一种显示器在市场上引起了极大的轰动，那就是微led。

数十家公司正在研究微型发光二极管(microled)，这项技术有望提供比目前市场上的解决方案更好、更亮的显示器。苹果、Facebook、三星和台积电只是开发微型led的几家公司。此外，电视供应商、显示器制造商、初创公司和设备供应商也在赶时髦。

在几年的研发过程中，microled被用于制作电视、手表和谷歌Glass等头戴式系统的显示屏。但是微型led很难制造，而且价格昂贵。这就是为什么使用microled的主流商业显示器现在还没有，而且在几年内也不会出现。

微型LED基本上是一个LED(发光二极管)，它将电能转换成光。传统的led被用于液晶显示器、广告牌、消费电子产品和照明的背光。不要将微型led与所谓的微型led混淆，后者基本上是当今led的缩小版。

microled是没有封装的LED的微观版本，需要将大量microled集成到显示器中。一个微型LED尺寸小于100μm(通常小于50μm)，是传统LED尺寸的1/100。微型led是自发光的，不需要背光。从理论上讲，使用microled的显示器比现在的显示器提供更多的颜色和更高的亮度，而且功耗更低。

图1:用直接键合方法制备的3 μ m尺寸/ 5 μ m间距微led阵列的SEM显微图。插图是microLED打开时的光学照片。来源:Leti

微型led很难实现。例如，要开发一台高清电视，系统就需要600万个微型led。因此，在一个晶圆厂中，必须制造600万个微型led，然后毫无差错地转移到电视机的背板上。使用微型led制造微型显示器也令人生畏。

“微led是真正的终极显示器。这只是非常困难和昂贵的制造，”马克斯麦克丹尼尔说，副总裁兼首席营销官显示和柔性技术集团应用材料．“你有LED显示屏，就像你在高速公路边上看到的那样。对于这些，每个像素是一个LED。它们是毫米级的。这些被称为LED显示屏。MicroLED就是把它们缩小到几十微米的尺寸。你在每个像素中放置一个。它是如此的小，很难做到。把它们放到你想要的地方就更难了。而且，要让led本身表现良好也比较困难。”

许多公司都在试图解决这些问题，但这个行业需要一些新的突破。

显示躁狂
根据触摸屏显示研究公司(Touch display Research)的数据，全球显示市场预计将从2019年的1500亿美元增长到2028年的2280亿美元。

但显示器市场也处于供过于求和价格下跌的状态。根据显示供应链咨询公司(DSCC)的数据，2019年，显示设备支出预计将下降38%，至134亿美元，原因是“市场环境疲软、资金挑战或其他问题导致的晶片厂延误”。

今天，显示市场被两种技术所主导——液晶显示器(lcd)和有机发光二极管(oled)。LCD由薄膜晶体管(TFTs)组成，它决定了显示的分辨率。与此同时，基于碳和氢等有机材料的oled能够实现自发射显示，这比液晶显示器效率更高。

今天，大多数手机和电视都使用液晶显示器。Applied的McDaniel在最近的Display Week Symposium上表示:“在如今的大众消费市场，主要是高分辨率LCD手机和55英寸及更小尺寸的LCD电视。”“还有一些产品正在向oled过渡。”

液晶显示器是大型晶圆厂生产的廉价产品。如今，正在建造的最大尺寸LCD玻璃是基于10.5代技术。术语“Gen”或代表示玻璃的尺寸。“LCD显示器是在这些10.5代晶圆厂生产的，这些晶圆厂本质上是一块3 × 3米的玻璃。这是一块车库门大小的玻璃。你可以在一块玻璃上制作6台75英寸的电视，也可以在一块玻璃上制作8台65英寸的电视，”麦克丹尼尔在接受采访时说。

oled正在进军电视市场，但价格仍然昂贵。oled在智能手机领域的发展势头日益强劲。根据DSCC的数据，2018年，27%的手机使用OLED显示屏，但预计到2023年，这一数字将达到54%。

“OLED技术很有吸引力。应用材料公司的麦克丹尼尔说:“由于图像质量和外形因素，它对消费者很有吸引力。“这也为面板制造商提供了更先进的可折叠或可滚动设备的路线图。”

其他显示技术也在研发中，包括miniileds和microled。这两种技术都是led，使用无机材料，如出(甘)。

传统led是具有高峰值亮度特性的高效产品。哥伦比亚大学教授约阿尼斯·基米西斯表示，LED的寿命超过5万小时，亮度以数千万尼特计。基米西斯在“展示周”的一次演讲中说:“虱子代表了人类感知的光的相对强度。”

led有不同的配置，如单色和多色。RGB(红、绿、蓝)LED是一种流行的类型，由主色调组成。所以，他们可以创造出许多不同的颜色。

微型LED是传统LED的缩小版，尺寸范围为100μm及以上。与led一样，miniLEDs的目标是用于显示器的背光。

最热门的话题是微型led。“这些都很小。物理原理是一样的。这是LED。这是PN二极管。当你输入电流时，你就会有光。Leti．

与LED一样，microLED只能配置一种颜色(即红色LED或红色microLED)。microled还可以配置三种主要的原色-红，绿，蓝(RGB)。为此，led中的每一种颜色——红、绿、蓝——被称为一个亚像素。“你可以制作单色显示器。你可以只用蓝色led或绿色led来制作显示屏。”“当我们想要制作彩色显示器时，我们需要有三种基本颜色，即蓝色、绿色和红色。这意味着每个像素都应该有三个使用这三种颜色的子像素。”

制作显示器需要大量的微型led。尽管如此，与oled相比，microled具有更高的分辨率和更高的亮度。microled的最大像素/英寸(PPI)为5000⁵与3,500PPI相比，≤2 x 10^3.据LG Display称，oled的尼特。

microled可以集成在两种产品类型中——微型显示器和中型至大型显示器。中大型显示器包括智能手机、手表和电视。

微显示器包括类似谷歌眼镜的产品，以及其他增强现实(AR)眼镜。使用微型led的微型显示器可能由10万像素组成，尺寸为10毫米x 10毫米。

“很多公司认为增强现实眼镜将是你未来的手机，”Leti公司的坦普利尔说。“对于微显示屏，有一个主要原因是使用微型led。我们希望AR的亮度更高。亮度的要求是现有技术的100倍以上。你可以使用OLED进行微显示。它们通常提供1000尼。而AR则需要10万美元。”

电视则是另一回事。“主要原因是图像质量。使用微型led，你可以获得比oled或lcd更好的颜色，”他说。

几家公司已经展示了微型led电视。2012年，索尼展示了水晶LED显示屏，这是一款55英寸的微型LED电视原型。它包含了600万个微型led。

去年，三星展示了146英寸的微型led电视“The Wall”。今年早些时候，三星展示了一款新的75英寸显示屏，以及一款使用微型led的219英寸版本的The Wall。

许多其他公司也展示了这项技术，一些公司甚至竞相开发商业产品。“三星试图在今年将一款微型led电视推向市场。海信和TCL也展示了一个，”触摸显示研究公司首席执行官詹妮弗·科尔格罗夫在一次演示中说。

在最近的显示周会议上，有几篇关于微型led的论文。其中包括:

• 友达光电采用LTPS-TFT背板设计了12.1英寸169 ppi全彩微型led显示屏。
• 京瓷通过LTPS高集成度技术开发了一种目标超过200-ppi的小尺寸微型led显示器，这与LCD和OLED达到了同一水平。
• 夏普报告了一种连接到硅驱动器上的新型微型led显示屏，它被称为“硅显示屏”。演示了分辨率为1053 -ppi的0.38英寸全彩显示器。

由于这项技术面临诸多挑战，预计最初的产品将非常昂贵。Yole Developpement的分析师埃里克·维雷(Eric Virey)在一篇论文中表示:“MicroLED显示屏仍处于开发阶段，还没有消费类产品。”

“与OLED不同，无机led不能在非常大的面积上沉积和加工。led是在4到8英寸的晶圆上生长的，因此，制造微型led显示屏的艺术在于对单个发射器进行单点发射，并将它们转移和组装到背板基板上。”“对于大多数消费者显示器，如电视或智能手机，microLED的尺寸范围为3至10μm，以确保成本与应用兼容。对于8K显示器，每小时生产1亿块以上的产品时，需要在1 ~ 2μm的精度范围内，无差错地组装近1亿块8K显示器。因此，传输和组装通常被视为实现microLED制造需要克服的最大技术挑战。”

这还不是唯一的问题。“例如，传统LED的外量子效率(EQE)可以达到70%或更高，而小型microLED(尺寸<5μm)的EQE直到最近才被限制在1%至5%。在这些水平上，microLED无法实现比OLED更好的效率这一关键承诺。幸运的是，在过去的两年里，各个组织都报告了巨大的进展。”

使microLEDs
与此同时，在晶圆厂中，制造微型led和传统led有一些相似之处和不同之处。该公司产品营销经理Mukund Raghunathan表示:“MicroLED和半导体LED技术(如miniLED)具有类似的LED制造工艺，但LED制造之后的工艺非常不同。心理契约．“为了实现低于100μm的尺寸收缩，例如20μm或更低，晶圆厂可能需要不同的工艺设备和更清洁的洁净室环境。在20μm时，与miniiled相比，耐受微米级缺陷的能力要低得多，因为microLED传输和修复过程非常昂贵。”

使用微型led制作显示器的方法多种多样。处理流程取决于显示类型。简单来说，第一步是在外延衬底上制造各种微led。这些器件被切丁、测试，然后使用传质技术转移到背板上。

第一步是制造led本身。传统的LED是用金属有机化学气相沉积(金属)系统。在该系统中，薄层氮化镓材料外延沉积在晶圆上。

MOCVD也用于微型led。在该过程的一个例子中，香港科技大学和其他研究人员演示了在蓝宝石衬底上生长n-GaN层的流程，然后是多量子阱(MQW)层和p-GaN层。另一种方法是将层沉积在200mm的硅衬底上。

每一种方法都很有挑战性。“实现波长均匀性和低缺陷密度以降低生产成本是成功将MOCVD应用于microLED技术的关键因素，”西门子MOCVD部门营销副总裁Somit Joshi说Veeco．“最大的挑战是在大晶圆群中始终如一地生成高质量的epi，以满足波长和亮度均匀性的单bin要求。由于microled要求在大的传输区域内具有非常严格的均匀性，因此要求比单独封装的led严格得多。为了满足显示行业的一般标准，显示器的死像素不能超过10个。因此，LED外延的良率必须非常高，以减少死像素的可能性。”

还有其他挑战。“分类和分箱是提高传统led波长均匀性的方法，”Joshi说。“但是微型led太小了，无法分类和丢弃。因此，LED外延的均匀性更加关键。传统led的外延要求在8 ~ 10nm左右。相比之下，显示器对颜色均匀性的一般要求是根据显示器类型的不同，在整个显示器上达到1 ~ 2nm。在晶圆上实现1到2nm的波长均匀性是不切实际的。通过适当的转移技术，microLED的均匀性要求可以放宽到晶圆上的3到5nm。使用先进的MOCVD工具可以满足3到5nm的均匀性要求。”

据香港科技大学介绍，一旦层生长，p-GaN和MQW层被蚀刻以隔离像素。然后，最后一步是建立连接垫。

从那里，目标是将每个microLED转移到TFT背板或其他表面上。为此，有各种各样的方法，如整体和挑选-放置。

对于微小的微显示器，业界使用整体方法。Leti的Templier说:“我们所说的整体是指我们在一个基板上制造显示器。”“在单片中，你从一个IC驱动程序开始。它在CMOS晶圆上。你把LED长在上面。然后，你的图案LED。你在晶圆规模上制造。你要做几个led，然后最后把它们分开。”

相比之下，取放方法用于中型到大型显示器。在一个例子中，微型led是用三种不同的所谓epiwafer制造的。蓝色的微led是在一个外延晶圆上制造的，而红色的微led是在另一个外延晶圆上制造的。另一个晶圆是绿色microled。

然后，每个microLED被切丁，并使用高速拾取和放置系统转移到TFT背板上。一些系统可以一次拾取和放置10,000个led，这有助于加快过程。

图2:制造微型led显示器的一般方法。来源:Leti

还有其他方法。例如，乐提公司利用所谓的微管技术，在无源矩阵上制作了一个40 x 40像素的蓝色和绿色原型显示器，间距为210μm。

“首先，我们在不同的外延材料上加工边长为25μm的红色、绿色和蓝色微led。微型led在顶部集成了N和P接触金属垫，并以210μm的间距进行单点，”Leti的Jeannet Bernard和其他人在一篇论文中说。“同时，我们在顶部制作了具有相同间距大小的微管的互连无源矩阵。然后我们通过翻转衬底和在微管上的杂交垫来转移微led。通过从微led上移除外延衬底来完成传输。我们对剩下的两种颜色重复这一转移步骤，从而获得像素间距为210μm的RGB显示器。”

无论采用何种方法，该行业都面临着一些挑战。EV集团业务发展副主管Martin Eibelhuber表示:“典型的微型led显示屏将基于蓝宝石衬底的传统led与薄膜晶体管(TFT)逻辑结合在一起，在某些情况下与CMOS结合在一起。”“关键的挑战是将LED晶圆与CMOS集成在一起，同时提供高机械稳定性和最佳电气性能，以实现完整的功能。为了实现这一目标，需要将高精度对齐和工艺流程的高度集成相结合，以实现非常小的像素尺寸。”

还有其他挑战。KLA的Raghunathan说:“这些方法对消费者市场来说还不划算。”“例如，虽然质量取放方法可以选择性地替换有缺陷的像素，包括死像素或暗像素，但它需要额外的质量传递步骤来替换有缺陷的像素。同样，在单片工艺中，修复和替换有缺陷的像素会增加成本，因为它需要额外的晶圆级处理——首先去除有缺陷的像素，然后用无缺陷的像素代替它们。”

结论
那么，microLED技术准备好迎接黄金时代了吗?现在还没有，但将来可能会。

KLA高级营销总监Steve Hiebert表示:“降低成本对于microLED应用的商业化至关重要。”“在microLED生产的每个阶段的产量都得到改善之前，这是无法实现的。良率问题的来源是传入基板、epi工艺、microLED制造工艺和传输工艺，尽管根据制造方法是批量取放工艺还是单片制造工艺，会有一些唯一性。”

显然，微型led很有前途，但要实现它还面临太多挑战。因此，oem将使用lcd和oled。但如果该行业能够让微型led发挥作用，它可能会颠覆市场。