300 1200格栅灯？台工研院MicroLED手艺现已战胜红光芯片良率等难题

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台工研院Microled手艺现已战胜红光芯片良率等难题

2022-06-27    

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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，四方协力研发的次世代显示手艺微发光二极管（Micro LED）又有新希望。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，时隔一年再果然的相助结晶乐成实现了「RGB」全彩，但小小一块板子背后所要解决的手艺问题尽是挑战。

红光良率不比蓝绿，弱化结构更是难题

Micro LED 手艺谈了很多多少年，众所周知这是一门需要推翻传统制程、牵涉产业领域甚广的损坏式创新手艺，各个手艺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相助开发的被动矩阵式驱动超小间距 Micro LED 显示模块，乐成将 Micro LED 阵列芯片直接转移到 PCB 基板，只是RGB 全彩独缺红光。经由一番起劲，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。早年端制程到后端转移，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手艺难题，一是红光芯片行使率与良率不足，二是「弱化结构」。

▲ 2022 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

▲ 2022 年新版 Micro LED 显示模块乐成杀青 RGB，间距约 700 μm以下、分辨率 96 x 160 pixel

「以芯片行使率和良率来看，红光照样问题，」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尺度值下或允许达 99％，也就是单看波长（Dominant Wavelength，Wd）、驱动电压（Forward Voltage，Vf）或反向泄电（流）（Reverse Leakage (Current)，Ir）；但若三项数值尺度都要兼备，整体良率很可能不到 60％，尤其红光受限于质料与特征，或许连 50％ 良率都未必能到达。

光看可用区域的良率并不够，方彦翔示意，Micro LED 制程下需要针对转移的面积去界说良率。简朴来说，假设巨量转移模块的转移面积是 6 cm x 3 cm，就示意在该矩形区域（block）里的 Micro LED 阵列芯片都必须相符前述三项良率尺度，不能有坏点才气举行转移，也就是说整片晶圆里可能只有某个特定区块相符所有尺度，良率不够稳固导致能转移的区域少、整片行使率也大幅下降。以现在产业最顶尖的手艺来说，晶圆芯片要做到超高平均度都尚有很大起劲空间。

▲ 红光受限于质料与特征，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乐成与否的一概略害。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 型电极制作于统一侧，对于微缩到微米品级的 Micro LED 来说又更具难度。

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为了让 Micro LED 在巨量转移的吸收历程中，能够顺遂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 的微米级柱子支持。当转移模块向上吸收 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，但这一步骤也磨练 LED 自己够不够强固、蒙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懦弱易破，加上 PCB 板粗拙度（roughness）较大、上下崎岖差大于 200 μm，稍微施压欠妥就可能降低红光转移乐成率。

至于玻璃基板则由于粗拙度没有 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 透显著示模块，所接纳的就是超薄玻璃基板，手艺上乐成实现了 RGB 三色；现在年所制作的新版 Micro LED 透显著示模块，尺寸为 4.8 cm x 4.8 cm，间距约 375 μm、分辨率 120 x 120 pixel，显著比前一款的显示效果更为仔细。

▲ 2022 年版 Micro LED 透显著示模块，间距约 750 μm、分辨率 80 x 80 pixel

▲ 2022 年版 Micro LED 透显著示模块，间距约 375 μm、分辨率 120 x 120 pixel

聚焦三大应用：电竞屏幕、AR、透显著示器

Micro LED 具备高亮度、高效率低功耗、超高分辨率与色彩饱和度、使用寿命较长等特征，在电竞屏幕（Gaming Monitor）、扩增实境（AR）、透显著示器等应用领域，要比 OLED、LCD 更能施展优势，而这三大应用也是台工研院最为看好也正努力生长的偏向。

以电竞屏幕应用来看，方彦翔提到现在市场上虽然已有次毫米发光二极管（Mini LED）手艺切入，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 或同样为自觉鲜明示手艺的 OLED，Micro LED 对比度更高更纯净、显色显示也更佳，在最要害的刷新率显示上也优于 OLED，而且无烙印或衰退问题，未来在高端消费市场的生长潜力相当可期。

▲ 台工研院 Mini LED 显示模块接纳 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 的生长时机，方彦翔已不只一次表达过正面看法。他以为 Micro LED 有时机在 AR 领域生长为显示光源主流手艺，但就手艺而言尚有许多灾题有待战胜，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 连系量子点（QD）色转换质料的方式，也尚有其他问题存在。

而且，AR 成像现在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条件下，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，连手艺成熟的 OLED 和 LCD 都无法到达，更况且 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 若以传统制程举行制作，效率将大幅下降，在一定功耗要求下，光要到达 10 万 nits 就已经异常难题。

「以是 LED 小于 10 μm 以后，亮度就是另一个天下，」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，要有突破才有设施到达」。只管 AR 应用可能还需要五年才有时机实现，但他以为这确实是台湾区域可以生长的 Micro LED 利基市场。

至于台工研院所开发的透显著示器采被动式无 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。提到透显著示器车载应用，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。现在台工研院正与厂商举行产物试做，也会延续生长有关应用。

方彦翔直言，Micro LED 就手艺开发来说还需要一段时间，若朝 OLED 和 LCD 现有市场生长替换应用已经太晚，也纷歧定会有竞争优势，加上良率有限、成本难降，要跟手艺成熟的 LCD 和 OLED 竞争并不容易。但他信托，OLED 或 LCD 达不到的手艺就是 Micro LED 的时机，尤其电竞屏幕、AR 和透显著示器等能手艺门槛的利基应用，或允许为台湾区域生长 Micro LED 的路上亮起希望。

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