臺工研院攜手LED驅(qū)動IC廠聚積科技、PCB廠欣興電子與半導(dǎo)體廠錼創(chuàng)科技，四方合力研發(fā)的次世代顯示技術(shù)微發(fā)光二極管（Micro LED）又有新進(jìn)展。繼去年展出全球第一個直接轉(zhuǎn)移至PCB基板的Micro LED顯示模塊后，時隔一年再公開的合作結(jié)晶成功實現(xiàn)了「RGB」全彩，但小小一塊板子背后所要解決的技術(shù)問題盡是挑戰(zhàn)。
紅光良率不比藍(lán)綠，弱化結(jié)構(gòu)更是難題
Micro LED技術(shù)談了好多年，眾所周知這是一門需要顛覆傳統(tǒng)制程、牽涉產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域甚廣的破壞式創(chuàng)新技術(shù)，各個技術(shù)環(huán)節(jié)對領(lǐng)域?qū)＜叶远加胁灰淄黄频钠款i。去年臺工研院與三廠合作開發(fā)的被動矩陣式驅(qū)動超小間距Micro LED顯示模塊，成功將Micro LED陣列芯片直接轉(zhuǎn)移到PCB基板，只是RGB全彩獨缺紅光。經(jīng)過一番努力，今年總算是讓紅光「亮」了相。
有別于先前6 cm x 6 cm的Micro LED顯示模塊，間距（Pitch）小于800 μm、分辨率80 x 80 pixel，新版模塊尺寸為6 cm x 10 cm，間距約在700 μm 以下、分辨率96 x 160 pixel，LED芯片尺寸則同樣在100 μm內(nèi)。從前端制程到后端轉(zhuǎn)移，臺工研院電光所智能應(yīng)用微系統(tǒng)組副組長方彥翔博士提到兩大技術(shù)難題，一是紅光芯片利用率與良率不足，二是「弱化結(jié)構(gòu)」。
▲ 2018年所展出的超小間距Micro LED顯示模塊獨缺紅光，間距小于800 μm、分辨率80 x 80 pixel
▲ 2019年新版Micro LED顯示模塊成功達(dá)成 RGB，間距約700 μm以下、分辨率96 x 160 pixel
「以芯片利用率和良率來看，紅光還是問題，」方彥翔以4英寸LED晶圓為例指出，晶圓扣除2 mm外徑后，可用區(qū)域的良率在單一標(biāo)準(zhǔn)值下或許可達(dá)99％，也就是單看波長（Dominant Wavelength，Wd）、驅(qū)動電壓（Forward Voltage，Vf）或反向漏電（流）（Reverse Leakage (Current)，Ir）；但若三項數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)都要兼?zhèn)?，整體良率很可能不到60％，尤其紅光受限于材料與特性，或許連50％良率都未必能達(dá)到。
光看可用區(qū)域的良率并不夠，方彥翔表示，Micro LED制程下需要針對轉(zhuǎn)移的面積去定義良率。簡單來說，假設(shè)巨量轉(zhuǎn)移模塊的轉(zhuǎn)移面積是6 cm x 3 cm，就表示在該矩形區(qū)域（block）里的Micro LED 陣列芯片都必須符合前述三項良率標(biāo)準(zhǔn)，不能有壞點才能進(jìn)行轉(zhuǎn)移，也就是說整片晶圓里可能只有某個特定區(qū)塊符合所有標(biāo)準(zhǔn)，良率不夠穩(wěn)定導(dǎo)致能轉(zhuǎn)移的區(qū)域少、整片利用率也大幅下降。以目前產(chǎn)業(yè)最頂尖的技術(shù)來說，晶圓芯片要做到超高均勻度都還有很大努力空間。
▲ 紅光受限于材料與特性，良率比藍(lán)光、綠光相對更低
不僅Micro LED紅光良率有待改善，具有弱化結(jié)構(gòu)的Micro LED更是難求。
弱化結(jié)構(gòu)是巨量轉(zhuǎn)移成功與否的一大關(guān)鍵。方彥翔說明，Micro LED芯片在制程階段得先跟硅或玻璃等材質(zhì)的暫時基板接合，再透過雷射剝離（laser lift-off）去除藍(lán)寶石基板，接著以覆晶形式將原本的LED結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)、正面朝下，并使P型與N型電極制作于同一側(cè)，對于微縮到微米等級的Micro LED來說又更具難度。
為了讓Micro LED在巨量轉(zhuǎn)移的吸取過程中，能夠順利脫離暫時基板又不至破片，因此得在LED下方制作中空型的弱化結(jié)構(gòu)，也就是以小于1 μm的微米級柱子支撐。當(dāng)轉(zhuǎn)移模塊向上吸取LED時，只要斷開柱子便能將Micro LED脫離暫時基板，再轉(zhuǎn)移下壓至TFT或PCB板上，但這一步驟也考驗LED本身夠不夠強(qiáng)固、承受壓力時是否仍能保持完好，而紅光比起藍(lán)光和綠光相對更脆弱易破，加上PCB板粗糙度（roughness）較大、上下高低差大于200 μm，稍微施壓不當(dāng)就可能降低紅光轉(zhuǎn)移成功率。
至于玻璃基板則因為粗糙度沒有PCB板來得大，Micro LED轉(zhuǎn)移難度也相對較低。去年臺工研院便展出過一款6 cm x 6 cm、間距約750 μm、分辨率80 x 80 pixel的Micro LED透明顯示模塊，所采用的就是超薄玻璃基板，技術(shù)上成功實現(xiàn)了RGB三色；而今年所制作的新版Micro LED透明顯示模塊，尺寸為4.8 cm x 4.8 cm，間距約375 μm、分辨率120 x 120 pixel，明顯比前一款的顯示效果更為細(xì)致。
▲ 2018年版Micro LED透明顯示模塊，間距約750 μm、分辨率80 x 80 pixel
▲ 2019年版Micro LED透明顯示模塊，間距約375 μm、分辨率120 x 120 pixel
聚焦三大應(yīng)用：電競屏幕、AR、透明顯示器
Micro LED具備高亮度、高效率低功耗、超高分辨率與色彩飽和度、使用壽命較長等特性，在電競屏幕（Gaming Monitor）、擴(kuò)增實境（AR）、透明顯示器等應(yīng)用領(lǐng)域，要比OLED、LCD更能發(fā)揮優(yōu)勢，而這三大應(yīng)用也是臺工研院最為看好也正積極發(fā)展的方向。
以電競屏幕應(yīng)用來看，方彥翔提到目前市場上雖然已有次毫米發(fā)光二極管（Mini LED）技術(shù)切入，但始終是做為顯示器背光，Micro LED則可直接做為pixel顯示不需背光源。相較于Mini LED或同樣為自發(fā)光顯示技術(shù)的OLED，Micro LED對比度更高更純凈、顯色表現(xiàn)也更佳，在最關(guān)鍵的刷新率表現(xiàn)上也優(yōu)于OLED，而且無烙印或衰退問題，未來在高端消費市場的發(fā)展?jié)摿ο喈?dāng)可期。
▲ 臺工研院Mini LED顯示模塊采用PCB基板，模塊尺寸6 cm x 6 cm、間距小于800 μm、分辨率80 x 80 pixel
提到Micro LED應(yīng)用于AR的發(fā)展機(jī)會，方彥翔已不只一次表達(dá)過正面看法。他認(rèn)為Micro LED有機(jī)會在AR領(lǐng)域發(fā)展為顯示光源主流技術(shù)，但就技術(shù)而言還有很多難題有待克服，除了Micro LED RGB三色良率和效率問題需要重新調(diào)整外，若以單色Micro LED結(jié)合量子點（QD）色轉(zhuǎn)換材料的方式，也還有其他問題存在。
而且，AR成像目前遇到的問題為系統(tǒng)光波導(dǎo)（Optical Waveguide）吸收率極高，因此若要在系統(tǒng)要求的低功耗前提下，Micro LED所需要的亮度將高達(dá)100 萬 nits，別說Micro LED現(xiàn)在還很難做到，連技術(shù)成熟的OLED和LCD都無法達(dá)到，更何況AR 畫素密度約2,000 ppi以上，間距在12.8 μm左右，單一子畫素（Sub-pixel）必須微縮到4 μm以下，Micro LED若以傳統(tǒng)制程進(jìn)行制作，效率將大幅下降，在一定功耗要求下，光要達(dá)到10萬nits就已經(jīng)非常困難。
「所以LED小于10 μm以后，亮度就是另一個世界，」方彥翔說，「要提升LED在AR上的效率，就必須從半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和制程去改變，要有突破才有辦法達(dá)到」。盡管AR應(yīng)用可能還需要五年才有機(jī)會實現(xiàn)，但他認(rèn)為這確實是臺灣地區(qū)可以發(fā)展的Micro LED利基市場。
至于臺工研院所開發(fā)的透明顯示器采被動式無TFT，主要以3到4英寸模塊拼接形式，聚焦車載和被動式應(yīng)用。提到透明顯示器車載應(yīng)用，方彥翔指出，OLED透明度雖然可達(dá)60％到70％，但分辨率難做高；Micro LED透明度可達(dá)70％以上，顯示也相對更清晰。目前臺工研院正與廠商進(jìn)行產(chǎn)品試做，也會持續(xù)發(fā)展有關(guān)應(yīng)用。
方彥翔直言，Micro LED就技術(shù)開發(fā)來說還需要一段時間，若朝OLED和LCD現(xiàn)有市場發(fā)展替代應(yīng)用已經(jīng)太晚，也不一定會有競爭優(yōu)勢，加上良率有限、成本難降，要跟技術(shù)成熟的LCD和OLED競爭并不容易。但他相信，OLED或 LCD達(dá)不到的技術(shù)就是Micro LED的機(jī)會，尤其電競屏幕、AR和透明顯示器等高技術(shù)門檻的利基應(yīng)用，或許可為臺灣地區(qū)發(fā)展Micro LED的路上亮起希望。
來源：科技新報
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