Micro LED技術(shù)，即LED微縮化和矩陣化技術(shù)，被視為下一代的顯示技術(shù)，擁有低功耗、高亮度、高對比度、反應(yīng)時間短、寬色域等特性而廣受關(guān)注。
1. Micro-LED 簡介
Micro LED 是指將微米量級尺寸的發(fā)光二極管(LED)，批量轉(zhuǎn)移到基板上，再利用物理沉積完成保護層和電極，最后封裝完成，使得LED以矩陣形式高密度集成在一個芯片上，實現(xiàn)顯示功能。其中，“微米量級”一般指相鄰 LED點間距在 100 微米以下(即 P0.1 以下)。由于采用主動選址驅(qū)動，Micro LED顯示器件的任何像素都能定址控制并單點驅(qū)動發(fā)光，即利用垂直交錯的正負(fù)柵極連接每一個Micro-LED的正負(fù)極，依次通電，通過掃描方式點亮Micro-LED進行圖形顯示。相較于現(xiàn)流行的OLED顯示技術(shù)，Micro-LED采用傳統(tǒng)的氮化鎵(GaN)LED技術(shù)，可支持更高亮度、高動態(tài)范圍以及廣色域，以實現(xiàn)快速更新率、廣視角與更低功耗。表1. Micro LED 與 LCD、OLED性能比較
顯示技術(shù) Micro-LED LCD OLED
技術(shù)類型 自發(fā)光 背光 自發(fā)光
亮度(nits) 5000 500 500
色域(NTSC) 140% 70% 110%
視角 大 較大 大
對比度 1,000,000:1 10,000:1 1,000,000:1
功耗 低 高 中等
響應(yīng)時間 納秒 毫秒 微秒
壽命 約為LCD的30-40% 高 約為LCD的60-80%
PPI >2000 800 500
厚度(mm) <0.05 >2.5 <1.5
在小間距LED顯示技術(shù)中，Micro-LED采用的是1-10微米的LED晶體，實現(xiàn)0.05毫米或更小尺寸像素顆粒的顯示屏；MiniLED（次毫米發(fā)光二極管）則是采用數(shù)十微米級的LED晶體，實現(xiàn)0.5-1.2毫米像素顆粒的顯示屏；而小間距LED，采用的是亞毫米級LED晶體，最終實現(xiàn)1.0-2.0毫米像素顆粒顯示屏。小間距LED顯示屏是指LED點間距在P2.5（2.5毫米）及以下的LED顯示屏。
點間距
1.一個像素點中心到另一個像素點中心的距離；
2.點間距越小，最短的觀看距離就越小，觀眾距顯示屏的距離可以越近；
3.點間距 = 尺寸 / 尺寸對應(yīng)的分辨率。
2. Micro-LED 顯示原理
（一）像素結(jié)構(gòu)
Micro LED 顯示一般采用成熟的多量子阱LED 芯片技術(shù)。以典型的InGaN 基LED 芯片為例，Micro LED 像素單元結(jié)構(gòu)從 下往上依次為藍(lán)寶石襯底層、25nm 的GaN 緩沖層、3μm 的N 型GaN 層、包含多周期量子阱(MQW)的有源層、0.25μm 的P 型 GaN 接觸層、電流擴展層和P 型電極。像素單元加正向偏電壓時，P 型GaN 接觸層的空穴和 N 型 GaN 層的電子均向有源層遷移，在有源層電子和空穴發(fā)生電荷復(fù)合，復(fù)合后能量以發(fā)光形式釋放。與傳統(tǒng) LED 顯示屏相比，Micro LED 具有兩大特征，一是微縮化，其像素大小和像素間距從毫米級降低至微米級；二是矩陣化和集成化，其器件結(jié)構(gòu)包括CMOS 工藝制備的LED 顯示驅(qū)動電路和LED 矩陣陣列。
（二）陣列驅(qū)動
InGaN 基 Micro LED 的像素單元一般通過以下四個步驟制備：
第一步通過 ICP 刻蝕工藝，刻蝕溝槽至藍(lán)寶石層，在外延片上隔離出分離的長條形GaN 平臺。第二步在 GaN 平臺上，通過 ICP 刻蝕，確立每個特定尺寸的像素單元。第三步通過剝離工藝， 在 P 型 GaN 接觸層上制作 Ni/Au 電流擴展層。第四步通過熱沉 積，在 N 型 GaN 層和 P 型 GaN 接觸層上制作 Ti/Au 歐姆接觸電極。
其中，每一列像素的陰極通過 N 型 GaN 層共陰極連接，每一行像素的陽極則有不同的驅(qū)動連接方式，其驅(qū)動方式主要包括被動選址驅(qū)動(Passive Matrix，簡稱 PM，又稱無源尋址驅(qū)動)、主動選址驅(qū)動(Active Matrix，簡稱 AM，又稱有源尋址驅(qū)動) 和半主動選址驅(qū)動三種方式。
圖丨Micro-LED像素連接結(jié)構(gòu)（來源：賽迪智庫集成電路研究所）
（三）背板鍵合
從基板材質(zhì)看，Micro LED 芯片和背板的鍵合的基材主要有PCB、玻璃和硅基。根據(jù)線寬、線距極限的不同，可以搭配不同的背板基材。CMOS 工藝采用鍵合金屬實現(xiàn) LED 陣列與硅基 CMOS 驅(qū)動 背板的電學(xué)與物理連接。制作過程中，首先在 CMOS 驅(qū)動背板 中通過噴濺工藝熱沉積和剝離工藝等形成功能層，再通過倒裝焊 設(shè)備即可實現(xiàn) LED 微顯示陣列與驅(qū)動背板的對接。
3. Micro-LED 生產(chǎn)工藝流程
對于一個Micro-LED顯示產(chǎn)品，它的基本構(gòu)成是TFT基板、超微LED晶粒、驅(qū)動IC三部分。從目前Micro-LED主流技術(shù)路徑來看，Micro-LED制造過程主要包括LED外延片生長、TFT驅(qū)動背板制作、Micro-LED芯片制作、芯片巨量轉(zhuǎn)移四部分組成。Micro-LED的外延關(guān)鍵技術(shù)包括三個：波長均勻性一致性、缺陷和Particle的控制、外延面積的有效利用。
Micro的芯片關(guān)鍵技術(shù)包括五個：Sub微米級的工藝線寬控制、芯片側(cè)面漏電保護、襯底剝離技術(shù)（批量芯片轉(zhuǎn)移）、陣列鍵合技術(shù)（陣列轉(zhuǎn)移鍵合）、巨量測試技術(shù)。
其中的四個關(guān)鍵步驟尤為重要，包括：微縮制程技術(shù)、巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)、鍵結(jié)技術(shù)(Bonding)、彩色化方案，其中又以微縮制程與轉(zhuǎn)移技術(shù)最為棘手。
（一）核心工藝——芯片制備
與 LED 顯示相同，Micro LED 芯片一般采用刻蝕和外延生長(Epitaxy，又稱磊晶)的方式制備。
芯片制作流程主要包括以下幾步。一是襯底制備，用有機溶劑和酸液清洗藍(lán)寶石襯底后，采用干法刻蝕制備出圖形化藍(lán)寶石襯底。二是中間層制備，利用MOCVD 進行氣相外延，在高溫條件下分別進行 GaN 緩沖層、N型 GaN 層、多層量子阱、P 型 GaN 層生長制備。三是臺階刻蝕， 在外延片表面形成圖形化光刻膠，之后利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)工藝刻蝕到 N 型 GaN 層。四是導(dǎo)電層制備，在樣品表面濺射氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電層，光刻形成圖形化 ITO 導(dǎo)電層。五是絕緣層制備，利用等離子體增強化學(xué)的氣相沉積法 (PECVD)沉積形成 SiO2 絕緣層，之后經(jīng)光刻和濕法刻蝕。最后是電極制備，采用剝離法等方法制備出圖形化光刻膠，電子束蒸 發(fā) Au 后利用高壓剝離機對光刻膠進行剝離。
（二）核心工藝——巨量轉(zhuǎn)移
Micro LED 的薄膜轉(zhuǎn)移主要有物理轉(zhuǎn)移和化學(xué)轉(zhuǎn)移兩種方法：
物理轉(zhuǎn)移方法主要包括以 LuxVue （2014年被蘋果收購）為代表的靜電吸附轉(zhuǎn)移技術(shù)——利用靜電作用力，將 Micro LED芯片吸附到基板上；
化學(xué)轉(zhuǎn)移方法主要包括以 X-Celeprint 為代表的微轉(zhuǎn)移打印技術(shù)[μTP 技術(shù)]——使用彈性印模(stamp)結(jié)合高精度運動控制打印頭，通過控制打印頭速度調(diào)整彈性印模和被轉(zhuǎn)移Micro LED 芯片間的范德華力，有選擇地拾取 Micro LED芯片并將其打印到目標(biāo)基板上。
巨量移轉(zhuǎn)技術(shù)為目前各大廠的專利布局重點，集中在靜電吸附、范德華力轉(zhuǎn)印、流體組裝、激光剝離、電磁力/磁力、黏附層、真空吸附。
（三）核心工藝——鍵接技術(shù)
Micro-LED與TFT驅(qū)動背板的連接方式，主要研究方向有芯片焊接（chip bonding）、外延焊接（wafer bonding）和薄膜連接（thin film bonding）。
（四）核心工藝——彩色化方案
RGB-LED全彩顯示顯示原理主要是基于三原色（紅、綠、藍(lán)）調(diào)色基本原理。眾所周知，RGB三原色經(jīng)過一定的配比可以合成自然界中絕大部分色彩。同理，對紅色-、綠色-、藍(lán)色-LED，施以不同的電流即可控制其亮度值，從而實現(xiàn)三原色的組合，達(dá)到全彩色顯示的效果，這是目前LED大屏幕所普遍采用的方法。
4. Micro-LED Challenges
Micro-LED 在生產(chǎn)上，面臨著很高的設(shè)備成本以及競爭壓力，需要一段時間的發(fā)展以及更好的效果產(chǎn)品呈現(xiàn)，才可以被市場更好的接受。在技術(shù)問題上，Micro-LEDs有著很多技術(shù)挑戰(zhàn)，具體的技術(shù)難點可以總結(jié)為兩個方面：
Micro-LED制備需將傳統(tǒng)LED陣列化、微縮化后定址巨量轉(zhuǎn)移到電路基板上，形成超小間距LED，以實現(xiàn)高分辨率。整個制程對轉(zhuǎn)移過程要求極高，良率需達(dá)99.9999%，精度需控制在正負(fù)0.5μm內(nèi)，難度極高，需要更加精細(xì)化的操作技術(shù)；
一次轉(zhuǎn)移需要移動幾萬乃至幾十萬顆LED，數(shù)量級大幅提高，需要新巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)滿足這一要求。以一個4K電視為例，需要轉(zhuǎn)移的晶粒就高達(dá)2400萬顆（以4000 x 2000 x RGB三色計算），即使一次轉(zhuǎn)移1萬顆，也需要重復(fù)2400次。
Micro-LED 在作為顯示器件的產(chǎn)品應(yīng)用方面，從目前技術(shù)發(fā)展階段看，Micro LED 在超大尺寸顯示器市場成本優(yōu)勢并不明顯，由于該技術(shù)更容易實現(xiàn)高像素密度，兼具發(fā)光效率高、體積小、功耗低、壽命長等優(yōu)點，與其它顯示技術(shù)相比在智能手表(手環(huán))、虛擬現(xiàn)實顯示等可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢明顯。
表2. Micro-LED 各技術(shù)環(huán)節(jié)代表企業(yè)
芯片制備 巨量轉(zhuǎn)移 Micro-LED 面板 終端
Glo X-celeprint mLED 京東方 蘋果
三案 LuxVue Leti 群創(chuàng) 索尼
晶元 MikroMesa III-N LG 三星
镎創(chuàng) ALLOS 镎創(chuàng) 友達(dá) 群創(chuàng)
在CES 2020上，三星、LG、TCL、SONY、康佳等都發(fā)布了其最新的MicroLED、QLED 8K和生活方式電視系列新品。據(jù)天風(fēng)國際證券分析師郭明錤研究報告，Apple正在計劃4–6款mini LED產(chǎn)品，這也會大大推動micro-LED 相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的布局發(fā)展。
目前，Micro-LED的量產(chǎn)仍有待推進，從目前來看，生產(chǎn)可行性和經(jīng)濟成本限制了其應(yīng)用范圍。但從長遠(yuǎn)來看，隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，Micro LED 或?qū)⑷孢M入顯示領(lǐng)域。Gartner 預(yù)測，2018年全球可穿戴市場規(guī)模有望達(dá)到 83 億美元，因此也將帶動 Micro LED 顯示技術(shù)進入規(guī)模發(fā)展期。
同時，Micro LED 使用微米級的 LED 芯片，顯示器件開口率可以非常小，從而有利于制作增強現(xiàn)實產(chǎn)品(AR)需要的透明顯示器，發(fā)展透明顯示將是未來 Micro LED 發(fā)展的重要方向之一。
