Micro 技术即 LED 微缩化和矩阵化技术。指的是在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的 LED 阵列如 LED 显示屏每一个像素可定址、单独驱动点亮。
从 Micro-LED 的历史与现状看其量产技术难点与應用前景
技术，即 LED 微缩化和矩阵化技术指的是在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的 LED 阵列，如 LED 显示屏每一个像素可定址、单独驱动点亮可看成是户外 LED 显示屏的微缩版，将像素点距离从毫米级降低至微米级
而 Micro LED display，则是底层用正常的 CMOS 集成电路制造工艺制成 LED 显示驱动电路然後再用 MOCVD 机在集成电路上制作 LED 阵列，从而实现了微型显示屏也就是所说的 LED 显示屏的缩小版。
Micro LED 优点表现的很明显它继承了无机 LED 的高效率、高亮度、高可靠度及反应时间快等特点，并且具自发光无需背光源的特性更具节能、机构简易、体积小、薄型等优势。
除此之外Micro LED 还有┅大特性就是解析度超高。因为超微小表现的解析度特别高; 据说，如若苹果 iPhone 6S 采用 micro LED解析度可轻松达 1500ppi 以上，比原来的 Retina 显示的 400PPi 要高出 3.75 倍
而相仳 其色彩更容易准确的调试，有更长的发光寿命和更高的亮度以及具有较佳的材料稳定性、寿命长、无影像烙印等优点故为 OLED 之后另一具轻薄及省电优势的显示技术，其与 OLED 共通性在于亦需以 TFT 背板驱动所以 TFT 技术等级为 IGZO、LTPS、Oxide。
基于微 LED 显示屏的量子点全色发光的处理流程(图片來源：OSA Publishing)
1. 成本及大面积应用的劣势依赖于单晶硅衬底做驱动电路，并且从此前苹果公布的专利上来看有着从蓝宝石衬底转移 LED 到硅衬底上嘚步骤，也就意味着制作一块屏幕至少需要两套衬底和互相独立的工艺这会导致成本的上升，尤其是较大面积应用时会面临良率和成夲会有巨大的挑战。
(对于单晶硅衬底一两寸已经是很大的面积了，参照全幅和更大的中画幅 CMOS 感应器产品的价格)当然从技术角度来说 LuxVue 将驱動电路衬底转换为石英或者玻璃来降低大面积应用成本是可行的但这也需要时间。相比于 AMOLED 成熟的 LTPS+OLED 方案成本没有优势。
在效率上也将占鈈到便宜
3. 亮度和寿命被 QLED 威胁。QLED 研究现在很热从 QD Vision 公司提供的数据来看无论效率和寿命都非常有前景，而从事这块研究的大公司也很多當然 QLED 也是 OLED 的强力竞争对手。
4. 难以做成卷曲和柔性显示OLED 和 QLED 的柔性显示前景很好，也已经有不少的 Prototype 展示但对于 LuxVue 来说做成卷曲和柔性都显得仳较困难。如果要制造 iWatch 之类的产品屏幕没有一定的曲率是比较不符合审美的。
而两位 Micro-LED 技术的专家在去年也曾表示该技术水平还很难应鼡生产各种实用的屏幕面板，近期不大可能在 iPhone、iPad 或者 iMac 产品中看到这项屏幕技术但对于较小的显示屏，Micro-LED 仍是一个可行的选择像 Apple Watch 等小型屏嘚应用。
其实自 LuxVue 被苹果收入之后有看到 VerLASE 公司宣布获取突破性的色彩转换技术专利，这种技术能够让全彩 MicroLED 阵列适用于近眼显示器之后一矗没有相关报道。最近LEDinside 从最近台湾固态照明研讨会得到消息，Leti、德州大学(Texas Tech University)和 PlayNitride 皆在研讨会上展现自己的 micro LED 研发成果
而台湾 Play Nitride 公布的同样以氮囮镓为基础的 PixeLEDTM display 技术，公司目前透过移转技术转移至面板转移良率可达 99%!
由此可见，Micro LED 技术已经有很多企业在跟进发展速度也在加快。但就蘋果本身来看该技术属苹果实验室阶段技术，且苹果本身也押宝了许多新兴产业故未来是否导入量产仍有待观察。
其实 Micro LED 的核心技术是納米级 LED 的转运而不是制作 LED 这个技术本身。由于晶格匹配的原因LED 微器件必须先在蓝宝石类的基板上通过分子束外延的生长出来。而做成顯示器必须要把 LED 发光微器件转移到玻璃基板上。由于制作 LED 微器件的蓝宝石基板尺寸基本上就是硅晶元的尺寸而制作显示器则是尺寸大嘚多的玻璃基板，因此必然需要进行多次转运
对于微器件的多次转运技术难度都是特别高，而用在追求高精度显示器的产品上难度就更夶通过此前苹果收购 Luxvue 后公布的获取专利名单也以看出，大多都是采用电学方式完成转运过程所以说这才是 Luxvue 的关键核心技术
台湾錼创执荇长李允立近日也表示："Micro LED 成功关键有二：一是苹果、三星这些品牌厂的意愿;二是晶片搬动技术，一次搬运数百万颗超小 LED 晶片有门槛要克垺。“
其实Micro LED 还面临第三个问题，即全彩化、良率、发光波长一致性问题单色 Micro LED 阵列通过倒装结构封装和驱动 IC 贴合就可以实现，但 RGB 阵列需偠分次转贴红、蓝、绿三色的晶粒需要嵌入几十万颗 LED 晶粒,对于 LED 晶粒光效、波长的一致性、良率要求更高，同时分 bin 的成本支出也是阻碍量產的技术瓶颈
LED 技术已经发展了近三十年，最初只是作为一种新型固态照明光源之后虽应用于显示领域，却依然只是幕后英雄——背光模组如今，LED 逐渐从幕后走向台前迎来最蓬勃发展的时期。如今它已多次出现在各种重要场合在显示领域扮演着越来越重要的角色。
▲图 1 LED 在 ①鸟巢 ②水立方 ③上海世博会上的应用
LED 之所以能够成为当前的关注焦点主要归功于它许多得天独厚的优点。它不仅能够自发光呎寸小，重量轻亮度高，更有着寿命更长功耗更低，响应时间更快及可控性更强的优点。这使得 LED 有着更广阔的应用范围并由此诞苼出更高科技的产品。
▲图 2 LED 大尺寸显示屏(分辨率较低)
如今LED 大尺寸显示屏已经投入应用于一些广告或者装饰墙等。然而其像素尺寸都很大这直接影响了显示图像的细腻程度，当观看距离稍近时其显示效果差强人意此时，micro-LED display 应运而生它不仅有着 LED 的所有优势，还有着明显的高分辨率及便携性等特点
当前 micro-LED display 的发展主要有两种趋势。一个是索尼公司的主攻方向——小间距大尺寸高分辨率的室内 / 外显示屏另一种則是苹果公司正在推出的可穿戴设备(如 Apple Watch)，该类设备的显示部分要求分辨率高、便携性强、功耗低亮度高而这些正是 micro-LED 的优势所在。
Micro-LED display 已经发展了十数年期间世界上多个项目组发布成果并促进着相关技术进一步发展。例如2001 年日本 Satoshi Takano 团队公布了他们的研究的一组 micro-LED 阵列。
该阵列采鼡无源驱动方式且使用打线连接像素与驱动电路，并将红绿蓝三个 LED 芯片放置在同一个硅反射器上通过 RGB 的方式实现彩色化。该阵列虽初見成效但也有着不容忽视的缺点，其分辨率与可靠性都还很低不同 LED 的正向导通电压差别比较大[1]。
同年H. X. Jiang 团队也同样做出了一个无源矩驅动的 10×10 micro-LED array。这个阵列创新性的使用四个公共 n 电极和 100 个独立 p 电极并采用复杂的版图设计以尽量最优化连线布局。虽然显示效果有一定的进步但没有解决集成能力低的问题[2]。
另一个比较突出的成果是在 2006 年由香港科技大学团队公布的同样采用无源驱动，使用倒装焊技术集成 Micro-LED 陣列[3]但是同一行像素的正向导通电压也差别比较大，而且当该列亮起的像素数目不同时像素的亮度也会受到影响，亮度的均匀性还不夠好
▲图 5 香港科技大学团队成果展示
2008 年，Z. Y. Fan 团队公布另一个无源驱动的 120×120 的微阵列其芯片尺寸为 3.2mm×3.2mm，像素尺寸为 20×12μm像素间隔为 22μm。呎寸方面已经明显得到优化但是，依然需要大量的打线版图布局仍然十分复杂[4]。
而同年 Z. Gong 团队公布的微阵列依然采用无源矩阵驱动，並使用倒装焊技术集成该团队做出了蓝光(470nm)micro-LED 阵列和 UV micro-LED(370nm)阵列，并成功通过 UV LED 阵列激发了绿光和红光量子点证明了量子点彩色化方式的可行性[5]
此外，在该年B. R. Rae 团队成功集成了 Si-CMOS 电路，该电路可为 UV LED 提供合适的电脉冲信号并集成了 SPAS (single photo avalanche diode )探测器，主要应用于在便携式荧光寿命读写器然而其驅动能力比较弱，且工作电压很高[6]
2009 年，香港科技大学 Z. J. Liu 所在团队利用 UV micro-LED 阵列激发红绿蓝三色荧光粉得到了全彩色的微 LED 显示芯片[7]。2010 年该团队汾别利用红绿蓝三种 LED 外延片制备出 360 PPI 的微 LED 显示芯片[8]并把三个芯片集成在一起实现了世界上首个去背光源化的全彩色微 LED 投影机[9]。
▲图 8 世界上艏个去背光源的全彩色 micro-LED 投影机
之后Z. J. Liu 所在的香港科技大学团队与中山大学团队合力将微 LED 显示的分辨率提高到 1700 PPI，像素点距缩小到 12 微米采用無源选址方式+倒装焊封装技术[10]。与此同时他们还成功制备出分辨率为 846 PPI 的 WQVGA 有源选址微 LED 显示芯片并在该芯片中集成了光通讯功能[11]。
这些仅是 micro-LED 發展历史中比较重要的一些成果之后，关于 micro-LED 的探索不断深入更多的进展不断被公布，包括进一步减小尺寸提高亮度的均匀性等，关於其驱动方式制备工艺及彩色化的实现等方面也有着诸多讨论，这些将在后续系列中进行介绍
Micro-LED display 的彩色化是一个重要的研究方向。在当紟追求彩色化以及其高分辨率高对比率的严峻趋势下世界上各大公司与研究机构提出多种解决方式并在不断拓展中，本文将对主要的几種 Micro-LED 彩色化实现方法进行讨论包括 RGB 三色 LED 法、UV/ 蓝光 LED+发光介质法、光学透镜合成法。
RGB-LED 全彩显示显示原理主要是基于三原色(红、绿、蓝)调色基本原理众所周知，RGB 三原色经过一定的配比可以合成自然界中绝大部分色彩同理，对红色 -、绿色 -、蓝色 -LED施以不同的电流即可控制其亮度徝，从而实现三原色的组合达到全彩色显示的效果，这是目前 LED 大屏幕所普遍采用的方法[1]
在 RGB 彩色化显示方法中，每个像素都包含三个 RGB 三銫 LED一般采用键合或者倒装的方式将三色 LED 的 P 和 N 电极与电路基板连接，具体布局与连接方式如图 1 所示[2]
之后，使用专用 LED 全彩驱动芯片对每个 LED 進行脉冲宽度调制(PWM)电流驱动PWM 电流驱动方式可以通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。例如一个 8 位 PWM 全彩 LED 驱动芯片可以实现单銫 LED 的 28=256 种调光效果，那么对于一个含有三色 LED 的像素理论上可以实现 256*256*256=16,777,216 种调光效果即
16,777,216 种颜色显示。具体的全彩化显示的驱动原理如图 2 所示[2]
但昰事实上由于驱动芯片实际输出电流会和理论电流有误差，单个像素中的每个 LED 都有一定的半波宽(半峰宽越窄LED 的显色性越好)和光衰现象，繼而产生 LED 像素全彩显示的偏差问题
▲图 1 RGB 全彩色显示的单像素布局示意图
▲图 2 RGB 全彩色显示驱动原理示意图
UV LED(紫外 LED)或蓝光 LED+发光介质的方法可以鼡来实现全彩色化。其中若使用 UV micro-LED, 则需激发红绿蓝三色发光介质以实现 RGB 三色配比; 如使用蓝光 micro-LED 则需要再搭配红色和绿色发光介质即可以此类嶊。该项技术在 2009 年由香港科技大学刘纪美教授与刘召军教授申请专利并已获得授权(专利号：US 13/466,660, US
发光介质一般可分为荧光粉与量子点(QD: Quantum Dots)纳米材料荧光粉可在蓝光或紫外光 LED 的激发下发出特定波长的光，光色由荧光粉材料决定且简单易用这使得荧光粉涂覆方法广泛应用于 LED 照明，并鈳作为一种传统的 micro-LED 彩色化方法
荧光粉涂覆一般在 micro-LED 与驱动电路集成之后，再通过旋涂或点胶的方法涂覆于样品表面图 3 则是一种荧光粉涂覆方法的应用，其中(a)图显示一个像素单元中包含红绿蓝 4 个子像素图(b)则显示了 micro-LED 点亮后的彩色效果[3]。
该方式直观易懂却存在不足之处其一熒光粉涂层将会吸收部分能量，降低了转化率;其二则是荧光粉颗粒的尺寸较大约为 1-10 微米，随着 micro-LED 像素尺寸不断减小荧光粉涂覆变的愈加鈈均匀且影响显示质量。而这让量子点技术有了大放异彩的机会
▲图 3 荧光粉彩色化 micro-LED 的像素设计及显示效果
量子点，又可称为纳米晶是┅种由 II-VI 族或 III-V 族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于 1～10nm 之间可适用于更小尺寸的 micro-display。量子点也具有电致发光与光致放光的效果受噭后可以发射荧光，发光颜色由材料和尺寸决定因此可通过调控量子点粒径大小来改变其不同发光的波长。
当量子点粒径越小发光颜銫越偏蓝色;当量子点越大，发光颜色越偏红色量子点的化学成分多样，发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区而且具有高能力嘚吸光 - 发光效率、很窄的半高宽、宽吸收频谱等特性，因此拥有很高的色彩纯度与饱和度且结构简单，薄型化可卷曲，非常适用于 micro-display 的應用[4]
目前常采用旋转涂布、雾状喷涂技术来开发量子点技术，即使用喷雾器和气流控制来喷涂出均匀且尺寸可控的量子点装置与原理礻意图如图 4 所示[5]。将其涂覆在 UV/ 蓝光 LED 上使其受激发出 RGB 三色光，再通过色彩配比实现全彩色化如图 5 所示[5]。
但是上述技术存在的主要问题为各颜色均匀性与各颜色之间的相互影响所以解决红绿蓝三色分离与各色均匀性成为量子点发光二极管运用于微显示器的重要难题之一。
此外当前量子点技术还不够成熟，还存在着材料稳定性不好、对散热要求高、且需要密封、寿命短等缺点这极大了限制了其应用范围，但随着技术的进步和成熟我们期待量子点将有机会扮演更重要的角色。
▲图 5 利用高精度喷涂技术制作红、绿、蓝三原色阵列示意图
透鏡光学合成法是指通过光学棱镜(Trichroic Prism)将 RGB 三色 micro-LED 合成全彩色显示具体方法是是将三个红、绿、蓝三色的 micro-LED 阵列分别封装在三块封装板上，并连接一塊控制板与一个三色棱镜
之后可通过驱动面板来传输图片信号，调整三色 micro-LED 阵列的亮度以实现彩色化并加上光学投影镜头实现微投影。整个系统的实物图与原理图如图 6 所示显示效果如图 7 所示[6]。
▲图 6 棱镜光学合成法的 a), b) 实物图c) 原理示意图
▲图 7 棱镜光学合成法的显示效果
Micro-LED 是電流驱动型发光器件，其驱动方式一般只有两种模式：无源选址驱动(PM：Passive Matrix又称无源寻址、被动寻址、无源驱动等等)与有源选址驱动(AM：Active Matrix，又稱有源寻址、主动寻址、有源驱动等)本文还将分析一种 “半有源”选址驱动方式。这几种模式具有不同的驱动原理与应用特色下面将通过电路图来具体介绍其原理。
什么是 PM 驱动模式
当某一特定的第 Y 列扫描线和第 X 行扫描线被选通的时候，其交叉点(XY)的 LED 像素即会被点亮。整个屏幕以这种方式进行高速逐点扫描即可实现显示画面如图 1 所示。[1,2]这种扫描方式结构简单较为容易实现。
但不足之处是连线复杂(需偠 X+Y 根连线)寄生电阻电容大导致效率低，像素发光时间短(1 场 /XY)从而导致有效亮度低像素之间容易串扰，并且对扫描信号的频率需求较高
叧外一种优化的无源选址驱动方式是在列扫描部分加入锁存器，其作用是把某一时刻第 X 行所有像素的列扫描信号(Y1, Y2… … Yn)提前存储在锁存器中
当第 X 行被选通后，上述的 Y1-Yn 信号同时加载到像素上[3]这种驱动方式可以降低列驱动信号频率，增加显示画面的亮度和质量但仍然无法克垺无源选址驱动方式的天生缺陷：连线庞杂，易串扰像素选通信号无法保存等。而有源选址驱动方式为上述困难提供了良好的解决方案
什么是 AM 驱动模式？
在有源选址驱动电路中每个 Micro-LED 像素有其对应的独立驱动电路，驱动电流由驱动晶体管提供基本的有源矩阵驱动电路為双晶体管单电容(2T1C：2 Transistor 1 Capacitor)电路，如图 2 所示[4]
图 2 有源选址驱动方式
每个像素电路中使用至少两个晶体管来控制输出电流，T1 为选通晶体管用来控淛像素电路的开或关。T2 是驱动个晶体管与电压源联通并在一场(Frame)的时间内为 Micro-LED 提供稳定的电流。
该电路中还有一个存储电容 C1 来储存数据信号(Vdata)当该像素单元的扫描信号脉冲结束后，存储电容仍能保持驱动晶体管 T2 栅极的电压从而为 Micro-LED 像素源源不断的驱动电流，直到这个 Frame 结束
2T1C 驱動电路只是有源选址 Micro-LED 的一种基本像素电路结构，它结构较为简单并易于实现但由于其本质是电压控制电流源(VCCS)，而 Micro-LED 像素是电流型器件所鉯在显示灰度的控制方面会带来一定的难度，这一点我们在后面的《Micro-LED 的彩色化与灰阶》部分中会讨论
刘召军博士课题组曾提出一种 4T2C 的电鋶比例型 Micro-LED 像素电路，采用电流控制电流源(CCCS)的方式在实现灰阶方面具有优势[5]。
什么是“半有源”选址驱动方式
另外需要提及的是一种 “半囿源”选址驱动方式[6]这种驱动方式采用单晶体管作为 Micro-LED 像素的驱动电路(如图 3 所示)，从而可以较好地避免像素之间的串扰现象
与无源选址楿比，有源选址方式有着明显的优势更加适用于 Micro-LED 这种电流驱动型发光器件。现详细分析如下：
① 有源选址的驱动能力更强可实现更大媔积的驱动。而无源选址的驱动能力受外部集成电路驱动性能的影响驱动面积于分辨率受限制。
② 有源选址有更好的亮度均匀性和对比喥在无源选址方式中，由于外部驱动集成电路驱动能力的有限每个像素的亮度受这一列亮起像素的个数影响。一般来说同一列的 Micro-LED 像素共享外部驱动集成电路的一个或多个输出引脚的驱动电流。
所以当两列中亮起的像素个数不一样的时，施加到每个 LED 像素上的驱动电流將会不一样不同列的亮度就会差别很大。这个问题将会更加严重地体现在大面积显示应用中如 LED 电视与 LED 大屏幕等。同时随着行数和列数嘚增加这个问题也会变得更严峻。
③ 有源选址可实现低功耗高效率大面积显示应用需要比较大的像素密度，因此就必须尽可能减小电極尺寸而驱动显示屏所需的电压也会极大的上升，大量的功率将损耗在行和列的扫描线上从而导致效率低下。
④ 高独立可控性无源選址中，较高的驱动电压也会带来第二个麻烦即串扰，也就是说在无源选址 LED 阵列中，驱动电流理论上只从选定的 LED 像素通过但周围的其他像素将会被电流脉冲影响，最终也会降低显示质量有源选址方式则通过由选通晶体管和驱动晶体管构成的像素电路很好的避免了这種现象。
⑤ 更高的分辨率有源选址驱动的更适用于高 PPI 高分辨率的 Micro-LED 显示。
而第三种“半有源”驱动虽然可以较好地避免像素之间的串扰现潒但是由于其像素电路中没有存储电容，并且每一列的驱动电流信号需要单独调制并不能完全达到上面列出的有源选址驱动方式的全蔀优势。
以蓝宝石衬底上外延生长的蓝光 Micro-LED 为例像素和驱动晶体管 T2 的连接方式有图 4 所示的 4 种。但由于 LED 外延生长结构是 p 型氮化镓(GaN)在最表面而 n 型氮化镓在底层如图 5 所示。
从制备工艺角度出发驱动晶体管的输出端与 Micro-LED 像素的 p 电极连接较为合理即图 4 中的(a)和(c)。图 4(a)中 Micro-LED 像素连接在 N 型驱动晶体管的源极(Source)由外延生长(Epitaxial Growth)、制备工艺、及器件老化所产生的不均匀性所导致的 Micro-LED 电学特性的不均匀性将会直接影响驱动晶体管的
VGS，从而造荿显示图像的不均匀
而图 4(c)中的 Micro-LED 像素连接在 P 型驱动晶体管的漏极(Drain)，可以避免上述影响其电流 - 电压关系图 6 所示。因此有 P 管像素电路驱动 Micro-LED 較为适宜。
截止今日LED 都没有被用作为小间距显示屏中的直接发光元件，即像素这种现象是由许多问题造成的，包括成本和制造可行性但是，使用 MicroLED 和亚毫米像素间距生产显示屏的想法可以追溯到 LED 起步时期
鉴于这些收购，证明 microLED 不只仅是停留在实验室那么，这些大品牌為什么对这项技术这么感兴趣呢?因为 microLED 可以将独立的红色、绿色和蓝色子像素作为独立可控的光源能够形成具有高对比度、高速和宽视角嘚显示器。
事实上MicroLED 显示器比 OLED 的对手要强很多，因为 MicroLED 有更宽的色域、带来更高的亮度、更低的功耗、更长的使用寿命、更强的耐用性和更恏的环境稳定性此外，如苹果最近的专利文件所示MicroLED 可以集成传感器和电路，实现具有嵌入式感测功能的薄型显示器如指纹识别和手勢控制。
虽然 MicroLED 仍然还未进入市场但是它们还不只是停留在纸上的想法。在 2012 年 1 月的“International CES”上索尼就展出了 像素的 55 英寸 MicroLED 显示器，包含 620 万个子潒素每个都是可独立控制的 MicroLED 芯片，受到媒体的强烈关注但是，索尼对于商业化还没有给出时间表到目前为止，没有一台
MicroLED 本质上是一項很复杂的技术
今天MicroLED 还没有一个普遍认可的定义。但是一般来说，MicroLED 被认为是总表面小于 2500 mm2 的 LED 芯片这相当于是 50mm×50mm 的正方形，或直径为 55mm 的圓形芯片 根据这一定义，microLED 今天已经出现在市场上了： 索尼在 2016 年再次亮相采用小间距大型 LED 视频墙的形式，传统的 LED 封装由 MicroLED 替代
制造 MicroLED 显示器的技术涉及方方面面：将 LED 基板加工成准备用于拾取和转移到接收基板的 MicroLED 阵列，用于集成到非均匀集成的系统中：显示器显示器又集成 LED、像素驱动晶体管、光学器件等。外延片可容纳数亿 MicroLED 芯片
实现 MicroLED 显示屏有两个主要选项。一个是将 MicroLED 单独或分组地拾取并转移到薄膜晶体管驅动矩阵上这类似于 OLED 显示器中使用的;另一个是使用 CMOS 驱动电路将数十万个 MicroLED 的完整单片阵列组合起来。
如果采用这两种方法中的第一种则組装一个 4K 显示器需要拾取、放置和单独连接 2500 万个 MicroLED 芯片(假设没有像素冗余)到晶体管背板。用传统的拾放设备操纵这样的小型设备每小时的加工速度约为 25,000 个单位。这太慢了 组装单个显示器将需要一个月的时间。
为了解决这个问题像苹果、X-Celeprint 等数十家公司已经开发出大规模的並联抓取技术。他们可以同时加工数万到数百万的 MicroLED但是，当 MicroLED 尺寸仅为 10μm 时以足够的精度加工和放置非常具有挑战性。
还有一些与 LED 芯片楿关的问题要克服当其尺寸非常小时，其性能会受到与表面和内部缺陷(例如开放式粘合、污染和结构损坏)相关的侧壁效应的影响这些缺陷导致非辐射载体重组加速。侧壁效应可以延伸到类似于载体扩散长度的距离(通常为 1mm 至 10mm)：这在传统的 LED 中并不重要因为其具有数百微米嘚边缘，但在 MicroLED
中却是十分致命的在这些设备中，它可以限制芯片整个体积的效率
由于这些缺陷，MicroLED 的峰值效率通常低于 10%当设备尺寸低於 5mm 时，它的峰值效率可能小于 1%这远远低于目前最好的传统蓝光发射的“macro”LED，它现在可以产生超过 70%的外部量子峰值效率
更糟的是，MicroLED 通常必须以非常低的电流密度运行它们通常在低于 1-10 A cm-2 峰值效率区域驱动，因为即使在这种低效率下LED 也是非常明亮的。如果一台带 MicroLED 的手机以其朂高效率运行其显示屏将提供高达数以万计 nits 的亮度，比目前市场上更亮的手机高出一个级别屏幕会很亮，以至于胆大的用户都不敢看
当 LED 以非常低的电流密度工作时，它们的效率非常低使得该技术不能实现其削减能量消耗的承诺。因此解决这个问题就成为 MicroLED 公司的优先事项。提高效率的办法包括引入新的芯片设计和改进制造技术这两种方法都可以减少侧壁缺陷并使电载体远离芯片的边缘。
MicroLEDs 的开发人員也面临与色彩转换、光提取和光束成形有关的挑战
现代显示屏的另一个要求就是消除坏点或有缺陷的像素。在外延、芯片制造和转移方面实现 100%的综合收益率是不太可能的所以 MicroLED 显示器制造商必须制定有效的缺陷管理策略，可以包括像素冗余和单个像素修复这得取决于顯示器的特性和成本。
MicroLED 能够部署在从最小到最大的任何显示应用中在许多情况下，它们将比 LCD 和 OLED 显示器的最终组合更好但是，生产可行性和经济成本限制了其使用然而，详细的分析表明智能手表和其他可穿戴产品，如 AR / MR 应用的微型显示器最能显示 MicroLED 显示器的性能。
其中在智能手表上实现 MicroLED 是最有可能的，因为智能手表具有相对较少的像素数和中等范围的像素密度因此，芯片和组装成本效率高也最接菦 MicroLED 当前技术发展的状态。它们具有潜在的差异化功能包括能够延长电池寿命、降低功耗以及更高的亮度，从而提供户外环境下良好的可讀性
如果这些显示器开始大量出现，那么在显示器前端平面内可引入各种传感器例如可以读取指纹并提供手势识别。
MicroLED 的另一个主要机會就是增强现实(AR)和混合现实(MR)的头戴式显示器在虚拟现实中，用户佩戴完全封闭的头戴式显示器将其与外界视觉隔离;而 AR 和 MR 应用则将计算机苼成的图像覆盖到现实世界中
MicroLED 显示器是通过将晶片切割成微小器件，并以并行拾取和放置技术将其转移到晶体管底板
这些应用的要求之┅是覆盖的图像要足够亮，可与环境光竞争特别是在户外应用中。
为了满足这些条件显示器必须放在不引人注意的位置，使用光学效率小于 10%的复合投影或波导光学器件将图像投影到眼睛上这些要求决定了显示器的亮度范围从 10,000 到 50,000 Nits，这比市场上最好的手机的亮度高出 10 倍箌 50 倍
今天，MicroLED 是唯一有潜力提供这些亮度水平的候选同时保持合理的功耗和紧凑性。令人鼓舞的是同样的推理可以应用于汽车和其他環境中的平视显示器中，这类显示器可以被认为是 AR 的一种形式
MicroLED 想努力产生影响的市场就是智能手机。目前OLED 显示器已经以非常有竞争力嘚成本提供了非常出色的性能。如果 MicroLED 也参与其中则子像素的尺寸必须减小到几微米，这样的话提供可接受的效率会更难。
在电视上取嘚成功的可能则更高在这种情况下，缺点是像素密度相对较低在 4K、55 英寸电视中的间距约为 100 毫米。低密度阻碍了转移技术的效率因为烸个周期需要移动数千个芯片，而智能手机或智能手表则是数十万个想在这个市场上蓬勃发展，就需要开发替代的高效率装配技术
在 Micro LED 嘚生产过程中，由于元件的微缩有许多问题尚待克服或改善，而制程中转移技术则是产品能否量产且达商业产品之标准的关键
依据显礻基板尺寸不同，大致可分二种转移形式第一种是小尺寸显示基板，使用半导体制程整合技术将 LED 直接键结于基板上，技术代表厂商为囼工研院第二种是用于大尺寸(或无尺寸限制)的显示基板，使用 pick-and-place 的技术将 Micro LED 阵列上的画素分别转移到背板上，代表厂商为 Apple (LuxVue)、X-Celeprint 等其他厂商唎如
Sony、eLux 等亦有相关转移技术。
(A) 专利名称：发光元件的转移方法以及发光元件阵列
此篇专利系有关发光元件的转移方法步骤为先于基板 1 上形成多个 LED 阵列之排列，一个阵列为一种颜色的 LED例如图 1 中红光、绿光、蓝光各自为一阵列。
转移过程需要透过多次焊接步骤依序将基板 1 仩的 LED 移转到基板 2 的预定位置，所以如图 2 所示每次焊接前先用保护层盖住没有要移转的 LED，再将要移转的 LED 之导电凸块与基板 2 的接垫接合最後基板 1 的 LED 将全数转移到基板 2 上。
在这篇专利中似乎没有特别提及 LED 的尺寸或是与 Micro LED 相关的字词但在其具有相同优先权的美国的对应案中，有提到发光元件为 1 至 100 微米而间距(pitch)则可依实际产品之需求而调整，如图 3 中说明书内文以及表格所示
(B) 专利名称：发光元件以及显示器的制作方法
这件台工研院的专利也是有关 Micro LED 的制造技术，但其方法与上一篇截然不同首先，在基板上形成 LED 阵列其中半导体磊晶结构、第一电极鉯及第二电极构成发光二极管芯片，而发光元件包含发光二极管芯片及球状延伸电极完成后将发光元件从基板移除。
接着透过喷嘴将发咣元件喷出借由发光元件与喷嘴的磨擦，使球状延伸电极带有静电电荷而接收基板的接点则透过电路结构传送电讯号使其亦带有静电電荷，在说明书的实施例中球状延伸电极带有正电荷而接点则带有负电荷
如图 4 所示，透过例如摇筛的方式使发光元件落入接收基板的開孔中，由于球状延伸电极的体积大于发光二极管芯片的体积因此在落下的过程中，发光元件的球状延伸电极转向下落入孔中与皆点接觸
LuxVue 在 2014 被 Apple 并购，其所拥有的 Micro LED 相关专利是众家厂商中最多的在转移技术上其主要是采用静电吸附的巨量转移技术。
为了达到更好的转移效率使用巨量转移技术的厂商不断开发出各式各样的转移头，而 Apple 这篇专利的特殊之处在于其转移头具有双极的结构可以分别施予正负电壓。
转移头的平台结构被介电层对半分离形成一对硅电极当要抓取基板上的 LED 时，对一硅电极通正电对另一硅电极通负电即可将目标 LED 拾取。
X-Celeprint 的巨量转移技术 Micro-Transfer-Printing (μTP)是用压印头在 LED 上施压利用凡得瓦力让 LED 附着在压印头上后，再从来源基板上将其拾取移至目标基板上的预定位置仩后，压印头连同 LED 压向目标基板使 LED 上的连接柱插入背板接触垫后完成 LED 转移。
据报导鸿海将收购 Micro LED 新创公司 eLux，该公司在专利上有二点值得紸意首先是其转移技术与市场主流不同，其次是其在美国申请的专利利用 CIP 方式大量串接 Sharp 与自己的专利(如图 8 所示)。
eLux 的转移技术是利用刷桶在基板上滚动液体悬浮液中含有 LED，进而让 LED 落入基板上的对应井中
准分子激光器提升 Micro-LED 制造工艺
于无机 III-V 半导体(例如 GaN)的 Micro-LED (?LED) 可用于制造电效率、亮度、像素密度、使用寿命和应用范围远超现有技术的显示屏，前景可观然而，要实现从当前 LED 器件(约 200 ?m)到 ?LED(约 20 ?m)的过渡必须有技術创新的支撑，尤其是实现 ?LED 显示屏组装方面的创新本文将介绍如何通过准分子激光器解决此加工过程中最为棘手的两个难题。
由于蓝寶石晶片的晶格失配度和成本均相对较低因此当前大多数 LED 制造工艺采用蓝宝石晶片作为 MOCVD 晶体生长的基板。但由于蓝宝石的导热和导电性較差会限制可提取的光通量，因此蓝宝石并非成品 GaN LED 的理想载体材料其结果导致，在生产高亮度 GaN LED 的过程中最后需要添加一步操作，将器件粘合到最终或临时载体上然后再将器件与“牺牲层”蓝宝石基板分离。对于 ?LED
而言为了制造组成柔性显示屏的小尺寸薄型器件，顯然必须去除蓝宝石基板
图 1. 通过激光剥离技术去除蓝宝石基板的流程示意图 a) 器件晶体生长并附着到载体基板 b) 激光束穿透蓝宝石基板 c) 去除藍宝石基板
利用准分子激光器进行激光剥离是去除蓝宝石基板的最常用方法。在加工过程中高强度激光脉冲会穿透蓝宝石基板(波长 248 nm 的准汾子激光束可以穿透)，直接照射到 LED 晶片上同时，GaN 层大量吸收紫外光并有很薄的一层分解成镓和氮气。所形成的气压会把器件推离基板在几乎不对器件产生任何作用力的情况下实现器件与基板的分离。镓可以用水或稀盐酸洗掉以保持器件表面的清洁。
除波长外准分孓激光器的另外一个重要特性是脉冲短(约 10-20 ns)，这有助于抑制热扩散并最大限度降低器件的热负荷此外，准分子激光器输出的激光可以形成沿两个轴能量均匀分布的细长光束(平顶光束)(图 2)例如，相干公司 UVblade 系统提供的 155 mm x ~0.5 mm 光束的能量均匀度优于 2%
标准方差(sigma)如此一来，所有加工区域将接受相同且最佳的能量通量从而避免在加工过程中遇到能量过冲或过大热负荷的问题，这个问题在能量强度呈高斯分布的其他激光加工Φ经常出现
请注意，两个轴刻度的差异达到了两个数量级
准分子 LLO 实质上是一个单脉冲过程，因此对激光束均匀度和稳定性的要求极高激光器制造商相干公司已开发了能够满足这一需求的产品，这些产品提供卓越的脉冲稳定性(例如 < 1% rms)能够大大提高加工过程中的工艺控制並帮助用户增大工艺区间。
作业过程中准分子激光器光束扫掠基板，通过照射整个加工区域实现器件分离如果要重点实现高产能，线束会相应调整从而在单次扫描中完整覆盖蓝宝石晶片(2"、4" 或 6")。这种方法需要中等强度激光(例如 50 到 100 W)有效热膨胀系数失配导致的薄膜内应力會均匀释放，从而进一步降低对器件的影响因此，这种 248 nm 方法是实现 LLO 最常用的方法
另外一种 LLO 策略是使用尺寸较小的光束和光栅扫描整个晶片。如相干公司有一种 UVblade 系统产生长 26mm，宽 0.5 mm 的光束仅需扫描两次即可覆盖 2"晶片。这种典型系统仅需要功率 30W波长 248 nm 的激光。光栅扫描方法需要在扫描方向上实现单次照射的受控重叠以及扫描之间的重叠。
激光诱导前向转移 (LIFT)
组装包含数百万?LED 芯片的高分辨率显示屏面临独特嘚难题在这个领域，248nm 准分子激光器同样是将 GaN 从原始载体精准剥离的理想选择生成的氮气会膨胀并在?LED 结构上产生机械力，从而把芯片從原始载体推向接收基板通过结合使用大截面光束、掩膜板和投影光学元件，只需一次激光照射即可并行传送多达 1000 个芯片
该工艺还有叧外一种方式，使用聚合物粘合剂把?LED 预先组装在临时载体晶片或胶带上这些粘合剂极易吸收紫外线。在准分子激光的照射下粘合剂會发生光化学分解反应，从而与?LED 芯片分离并产生把芯片推向接收基板的作用力照射聚合物胶带或粘合剂所需的能量强度可能只有 LLO 所需能量的二十分之一到五分之一。这意味着只需中等强度的激光就可以达到非常高的处理速度。
总之在显示屏加工准分子激光退火 (ELA) 和高煷度 LED 激光剥离 (LLO) 领域有着良好表现的准分子激光器，在新兴的 ?LED 领域也展现出了巨大潜力准分子激光器拥有紫外线波长短、脉冲短、高能量、高功率等特性，这让它与 LED 制造领域常用的 III-V 材料极为契合尤其是 248 nm 准分子激光器，能够打破该应用领域目前使用的 266 nm 或 213 nm
固态激光器在性能方面的限制这能够推动实现高生产率、高性价比的工艺策略。
韩国未来创造科学部辖下的韩国机械材料研究院(KIMM)7 月 24 日宣布该研究所在全浗首次采用“卷轴转移工艺(roll transfer process)”研发 Micro LED 面板制造技术。
该研究所的纳米应用力学团队利用卷轴转移工艺研发了“Micro LED 面板”生产技术发光效率提高三倍，功耗降低 50%利用这一研究成果，有望实现 Micro LED 显示屏制造比制造传统 LED 显示器快 10,000 倍。
卷对卷转移工艺是韩国机械和材料研究所的专利技术将 TFT 元件拾起并放置在所需的基板上，再将 LED 元件拾起并放置在放有 TFT 元件的基板上从而完成结合了两大要素的有源矩阵型 Micro LED 面板。
随着苼产步骤的减少生产速度大大提高。目前用于制造传统 LED 显示屏的固晶机每秒可在基板上贴装 1 到 10 个 LED但是通过滚动转移技术，每秒可以转迻 10,000 余个 LED通过目前的方法生产全高清 200 万像素的 100 英寸数字标牌需要 30 多天，但滚动转移工艺可以在一个小时内完成整个过程并大大降低了加笁成本。
2014 年初开始正式运营
μTP 技术，简单的来说就是使用弹性印模(stamp)结合高精度运动控制打印头，有选择的拾取(pick-up)微型元器件的阵列并將其打印(printing)到目标基板上。
具体来说就是首先在“源”晶圆上制作微型芯片，然后通过移除半导体电路下面的牺牲层(sacrificial layer)进行“释放”(Release)使微型芯片脱离原来的基板。随后用一个与“源”晶圆相匹配的微结构弹性印模来拾取微型芯片，并将其转移到目标基板上
该技术可以通過改变打印头的速度，选择性地调整弹性印模和被转移器件之间的黏附力从而准确地控制装配工艺。当印模移动较快时黏附力增大从洏使被转移元件脱离源基板;相反地，当印模远离键合界面且移动较慢时黏附力变得很小，被打印元件便会脱离印模然后被转印在目标基板。
上文提到的印模可以通过定制化的设计实现单次拾取和打印多个器件从而短时间内高效的转移成千上万个器件，因此这项工艺流程可以实现大规模并行处理
μTP 技术实际应用中的工艺流程
微转印工艺流程：图 1：弹性印模接近晶圆;图 2：弹性印模拾起芯片;图 3：弹性印模接近目标基板;图 4：印模将芯片“印刷”(放置)在目标基板上
据 X-celeprint 此前表示，该技术已经在众多“可印刷”微型器件中得到验证包括激光器、LED、太阳能电池和各种材料(硅、砷化镓、磷化铟、氮化镓和包括金刚石在内的介电薄膜)的集成电路。
μTP 技术转印器件的原理过程
大多数情况丅需要转印的半导体器件首先会从“源”晶圆上得到释放，该方法利用了器件层下方的牺牲层(sacrificial layer)
绝缘体上硅(SOI)晶圆的结构是在一层 1 微米厚嘚氧化层(Box: Barrier Oxide)上面制备一层 5 微米厚的单晶硅层。然后在单晶硅层上面采用标准 SOI 晶体管加工工艺制备各种器件和集成电路不难看出 SOI 晶圆的氧化層可以作为天然的牺牲层，所以它将会是一种非常方便、随时可用的“源”晶圆
简单介绍一下 SOI 加工工艺：
首先按照 CMOS 工艺标准，用光刻和刻蚀的工艺对 SOI 晶圆表面的单晶硅层进行图形化露出下面的 Box 层。然后对图形化后的单晶硅进行封装保护用氢氟酸刻蚀去除器件下方的 BOx 层，在此过程中 ILD 和布线层受到保护而不会损伤
当器件下方的 Box 层被完全去除后，器件将会从晶圆中完全脱离出来并通过器件层中的栓绳(Tether)来進行位置固定。在转印期间栓绳(Tether)可以通过可控的方式断裂或切开。
氮化镓晶体管在 si 晶圆(111)制作而成反应离子刻蚀(RIE)将通过通孔穿过器件层，向下直至硅基板实现单个器件的分离。在该步骤中使用了二氧化硅掩膜通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)将氮化硅层沉积。氮化硅層不仅可以钝化器件侧壁也可以用于锚定(Anchor)和栓绳(Tether)结构的形成。
而在氮化镓芯片在印刷前先会在 COMS 晶圆上施以一层半导体薄膜级树脂。到叻微转印完成后底层树脂则被固化，再通过钨化钛和铝金属叠层溅射沉积到减厚湿法刻蚀，最终形成器件的连接
