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台工研院MicroLED技术现已克服红光芯片良率等难题

日期: 2019-06-27
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台工研院携手 LED 驱动 IC 厂聚积科技、PCB 厂欣兴电子与半导体厂錼创科技,四方合力研发的次世代显示技术微发光二极管(Micro LED)又有新进展。继去年展出全球第一个直接转移至 PCB 基板的 Micro LED 显示模块后,时隔一年再公开的合作结晶成功实现了「RGB」全彩,但小小一块板子背后所要解决的技术问题尽是挑战。

红光良率不比蓝绿,弱化结构更是难题

Micro LED 技术谈了好多年,众所周知这是一门需要颠覆传统制程、牵涉产业领域甚广的破坏式创新技术,各个技术环节对领域专家而言都有不易突破的瓶颈。去年台工研院与三厂合作开发的被动矩阵式驱动超小间距 Micro LED 显示模块,成功将 Micro LED 阵列芯片直接转移到 PCB 基板,只是RGB 全彩独缺红光。经过一番努力,今年总算是让红光「亮」了相。

有别于先前 6 cm x 6 cm 的 Micro LED 显示模块,间距(Pitch)小于 800 μm、分辨率 80 x 80 pixel,新版模块尺寸为 6 cm x 10 cm,间距约在 700 μm 以下、分辨率 96 x 160 pixel,LED 芯片尺寸则同样在 100 μm内。从前端制程到后端转移,台工研院电光所智能应用微系统组副组长方彦翔博士提到两大技术难题,一是红光芯片利用率与良率不足,二是「弱化结构」。

▲ 2018 年所展出的超小间距 Micro LED 显示模块独缺红光,间距小于 800 μm、分辨率 80 x 80 pixel

▲ 2019 年新版 Micro LED 显示模块成功达成 RGB,间距约 700 μm以下、分辨率 96 x 160 pixel

「以芯片利用率和良率来看,红光还是问题,」方彦翔以 4 英寸 LED 晶圆为例指出,晶圆扣除 2 mm 外径后,可用区域的良率在单一标准值下或许可达 99%,也就是单看波长(Dominant Wavelength,Wd)、驱动电压(Forward Voltage,Vf)或反向漏电(流)(Reverse Leakage (Current),Ir);但若三项数值标准都要兼备,整体良率很可能不到 60%,尤其红光受限于材料与特性,或许连 50% 良率都未必能达到。

光看可用区域的良率并不够,方彦翔表示,Micro LED 制程下需要针对转移的面积去定义良率。简单来说,假设巨量转移模块的转移面积是 6 cm x 3 cm,就表示在该矩形区域(block)里的 Micro LED 阵列芯片都必须符合前述三项良率标准,不能有坏点才能进行转移,也就是说整片晶圆里可能只有某个特定区块符合所有标准,良率不够稳定导致能转移的区域少、整片利用率也大幅下降。以目前产业最顶尖的技术来说,晶圆芯片要做到超高均匀度都还有很大努力空间。


▲ 红光受限于材料与特性,良率比蓝光、绿光相对更低

不仅 Micro LED 红光良率有待改善,具有弱化结构的 Micro LED 更是难求。

弱化结构是巨量转移成功与否的一大关键。方彦翔说明,Micro LED 芯片在制程阶段得先跟硅或玻璃等材质的暂时基板接合,再透过雷射剥离(laser lift-off)去除蓝宝石基板,接着以覆晶形式将原本的 LED 结构翻转、正面朝下,并使 P 型与 N 型电极制作于同一侧,对于微缩到微米等级的 Micro LED 来说又更具难度。

为了让 Micro LED 在巨量转移的吸取过程中,能够顺利脱离暂时基板又不至破片,因此得在 LED 下方制作中空型的弱化结构,也就是以小于 1 μm 的微米级柱子支撑。当转移模块向上吸取 LED 时,只要断开柱子便能将 Micro LED 脱离暂时基板,再转移下压至 TFT 或 PCB 板上,但这一步骤也考验 LED 本身够不够强固、承受压力时是否仍能保持完好,而红光比起蓝光和绿光相对更脆弱易破,加上 PCB 板粗糙度(roughness)较大、上下高低差大于 200 μm,稍微施压不当就可能降低红光转移成功率。

至于玻璃基板则因为粗糙度没有 PCB 板来得大,Micro LED 转移难度也相对较低。去年台工研院便展出过一款 6 cm x 6 cm、间距约 750 μm、分辨率 80 x 80 pixel 的 Micro LED 透明显示模块,所采用的就是超薄玻璃基板,技术上成功实现了 RGB 三色;而今年所制作的新版 Micro LED 透明显示模块,尺寸为 4.8 cm x 4.8 cm,间距约 375 μm、分辨率 120 x 120 pixel,明显比前一款的显示效果更为细致。

▲ 2018 年版 Micro LED 透明显示模块,间距约 750 μm、分辨率 80 x 80 pixel

▲ 2019 年版 Micro LED 透明显示模块,间距约 375 μm、分辨率 120 x 120 pixel


聚焦三大应用:电竞屏幕、AR、透明显示器

Micro LED 具备高亮度、高效率低功耗、超高分辨率与色彩饱和度、使用寿命较长等特性,在电竞屏幕(Gaming Monitor)、扩增实境(AR)、透明显示器等应用领域,要比 OLED、LCD 更能发挥优势,而这三大应用也是台工研院最为看好也正积极发展的方向。

以电竞屏幕应用来看,方彦翔提到目前市场上虽然已有次毫米发光二极管(Mini LED)技术切入,但始终是做为显示器背光,Micro LED 则可直接做为 pixel 显示不需背光源。相较于 Mini LED 或同样为自发光显示技术的 OLED,Micro LED 对比度更高更纯净、显色表现也更佳,在最关键的刷新率表现上也优于 OLED,而且无烙印或衰退问题,未来在高端消费市场的发展潜力相当可期。

▲ 台工研院 Mini LED 显示模块采用 PCB 基板,模块尺寸 6 cm x 6 cm、间距小于 800 μm、分辨率 80 x 80 pixel


提到 Micro LED 应用于 AR 的发展机会,方彦翔已不只一次表达过正面看法。他认为 Micro LED 有机会在 AR 领域发展为显示光源主流技术,但就技术而言还有很多难题有待克服,除了 Micro LED RGB 三色良率和效率问题需要重新调整外,若以单色 Micro LED 结合量子点(QD)色转换材料的方式,也还有其他问题存在。

而且,AR 成像目前遇到的问题为系统光波导(Optical Waveguide)吸收率极高,因此若要在系统要求的低功耗前提下,Micro LED 所需要的亮度将高达 100 万 nits,别说 Micro LED 现在还很难做到,连技术成熟的 OLED 和 LCD 都无法达到,更何况 AR 画素密度约 2,000 ppi 以上,间距在 12.8 μm 左右,单一子画素(Sub-pixel)必须微缩到 4 μm 以下,Micro LED 若以传统制程进行制作,效率将大幅下降,在一定功耗要求下,光要达到 10 万 nits 就已经非常困难。

「所以 LED 小于 10 μm 以后,亮度就是另一个世界,」方彦翔说,「要提升 LED 在 AR 上的效率,就必须从半导体的结构和制程去改变,要有突破才有办法达到」。尽管 AR 应用可能还需要五年才有机会实现,但他认为这确实是台湾地区可以发展的 Micro LED 利基市场。

至于台工研院所开发的透明显示器采被动式无 TFT,主要以 3 到 4 英寸模块拼接形式,聚焦车载和被动式应用。提到透明显示器车载应用,方彦翔指出,OLED 透明度虽然可达 60% 到 70%,但分辨率难做高;Micro LED 透明度可达 70% 以上,显示也相对更清晰。目前台工研院正与厂商进行产品试做,也会持续发展有关应用。

方彦翔直言,Micro LED 就技术开发来说还需要一段时间,若朝 OLED 和 LCD 现有市场发展替代应用已经太晚,也不一定会有竞争优势,加上良率有限、成本难降,要跟技术成熟的 LCD 和 OLED 竞争并不容易。但他相信,OLED 或 LCD 达不到的技术就是 Micro LED 的机会,尤其电竞屏幕、AR 和透明显示器等高技术门槛的利基应用,或许可为台湾地区发展 Micro LED 的路上亮起希望。


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