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          从红光晶粒到弱化结构 工研院四方合作Micro LED显示技术再进化

          放大字体  缩小字体 发布日期:2019-06-27 14:58   来源:科技新报  浏览次数:498
             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体(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 显示模组后,时隔一年再公开的合作结晶成功实现了“『R』GB”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 显示模组,成功将Micro LED 阵列晶粒直接转移到PCB 基板,只是“R”GB 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 显示模组,间距(Pitch)小于800 μm、解析度80 x 80 pixel,新版模组尺寸为6 cm x 10 cm,间距约在700 μm 以下、解析度96 x 160 pixel,LED 晶粒尺寸则同样在100 μm内。从前端制程到后端转移,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,一是红光晶片利用率与良率不足,二是“弱化结构”。
           QQ截图20190627165844
            ▲2018 年所展出的超小间距Micro LED 显示模组独缺红光,间距小于800 μm、解析度80 x 80 pixel
           QQ截图20190627165854
            ▲2019 年新版Micro LED 显示模组成功达成RGB,间距约700 μm以下、解析度96 x 160 pixel
           
            “以晶粒利用率和良率来看,红光还是问题,”方彦翔以4 吋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,假设巨量转移模组的转移面积是6 cm x 3 cm,就表示在该矩形区域(block)里的Micro LED 阵列晶粒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,晶圆晶粒要做到超高均匀度都还有很大努力空间。
           QQ截图20190627165902
            ▲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 晶粒在制程阶段得先跟矽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。当转移模组向上吸取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。去年工研院便展出过一款6 cm x 6 cm、间距约750 μm、解析度80 x 80 pixel 的Micro LED 透明显示模组,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 透明显示模组,尺寸为4.8 cm x 4.8 cm,间距约375 μm、解析度120 x 120 pixel,明显比前一款的显示效果更为细致。
           QQ截图20190627165909
            ▲2018 年版Micro LED 透明显示模组,间距约750 μm、解析度80 x 80 pixel
           QQ截图20190627165916
            ▲2019 年版Micro LED 透明显示模组,间距约375 μm、解析度120 x 120 pixel
           
            聚焦三大应用:电竞荧幕、AR、透明显示器
           
            Micro LED 具备高亮度、高效率低功耗、超高解析度与色彩饱和度、使用寿命较长等特性,在电竞荧幕(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,而这三大应用也是工研院最为看好也正积极发展的方向。
           
            以电竞荧幕应用来看,方彦翔提到目前市场上虽然已有次毫米发光二极体(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。
           QQ截图20190627165924
            ▲工研院Mini LED 显示模组采用PCB基板,模组尺寸6 cm x 6 cm、间距小于800 μm、解析度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可以发展的Micro LED 利基市场。
           
            至于工研院所开发的透明显示器采被动式无TFT,主要以3 到4 吋模组拼接形式,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%,但解析度难做高;Micro LED 透明度可达70% 以上,显示也相对更清晰。目前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,尤其电竞荧幕、AR 和透明显示器等高技术门槛的利基应用,或许可为台湾发展Micro LED 的路上亮起希望。
           
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