Micro LED商品化时程渐近

2017-11-03 10:41:12来源: CTimes 关键字:LED

【作者: 卢杰瑞】

当苹果计算机发表了采用OLED显示技术作为APPLE WATCH的显示面板时,着实地让苹果迷的眼睛为之一亮,并且赞叹OLED显示器的色彩高度饱和力,特别是最新的APPLE WATCH所采用的面板尺寸比前一代更大, 更是吸引无数苹果迷的目光。 最新的讯息是,苹果计算机更把新一代产品的显示技术投向MICRO LED,更是让已经掀起一片研发热的显示器业界,无不再卯足全力,希望能在商品化量产的地位上居于领先的地位(图1)。


图1 : 采用OLED显示技术作为APPLE WATCH让苹果迷的眼睛为之一亮。


APPLE WATCH将采用Micro LED

Micro LED显示器所采用LED尺寸为微米等级,具有画素的独立控制、独立发光控制、高辉度、低耗电、超高分辨率和高色彩度等特点,并且如果结合奈米布线的话,更可以让微米等级的超小型LED达到可弯曲软性显示器的特色。

由于Micro LED显示具有与OLED相近的高度色彩饱和度,采用自发光的原理,耗电量仅需液晶面板的不到10分之1电力等等的优势特点,再加上,苹果与SONY均发表希望在2018年采用Micro LED显示面板作为可携式产品的显示器后,Micro LED显示技术变成了业界最热门的技术话题之一,也因此让苹果计算机在2014年收购了以研发Micro LED显示技术为主的LuxVue。

LuxVue在Micro LED显示技术的领域已经拥有各式各样应用的专利,例如在2015年申请的「利用同时具备发光能力与感测功能的LED,来做为显示面板」,由于兼具感测功能更是引发业界所关注。 就如同最近所发表的iPhone X就是汰除了利用实体传感器来进行指纹辨识,而改采屏幕中内藏的传感器进行脸部扫描辨识。

此外,如同BMW的新世代开发一样,在3系列中大胆地采用一些突破性的设计观念,随后5系列也随之导入。 APPLE WATCH也是率先采用OLED做为显示屏幕,接下来今年所发表的新一代iPhone X和iPhone 8就接续采用。 而新一代的APPLE WATCH预计将Micro LED显示器做为屏幕,因此业界的众也就开始大胆预测是否未来的iPhone会如同OLED一样,跟随APPLE WATCH采用Micro LED显示器做为屏幕。

对于众所注目的Micro LED显示器何时能商品化,无论是显示产业界、还是智能型手机业界、大型电视业界、OLED显示业界等等都无不抱着期待与关心,并且也都在Micro LED显示技术不断地推进下, 各自在特定的领域全力投入地进行中。

150μm的Micro LED将在2018年现身?

根据LEDinside在2017年7月所发表的一份Micro LED显示器研究报告中指出,目前Micro LED显示器进入实际量产的最大瓶颈,还是在如何将数量庞大的微米尺寸LED芯片转移到电路基板(Backplane)上, 也就是业界口中常说的巨量转移(Mass Transfer)。 虽然Micro LED显示技术吸引着全球各大显示业者、半导体业者与LED业者积极加入,但是对于上述Micro LED显示器的量产瓶颈-巨量转移,也都加紧开出独特的技术,来提升小时产能(UPH ; unit per hour在每小时时间中能够生产的单位数量)、巨量转移的良率以及最佳与适用的LED芯片尺寸,希望能够领先群雄迈入量产的阶段,拔得市场的头筹(图2)。


图2 : Micro LED显示技术吸引全球各大相关领域业者,希望能够领先群雄迈入量产的阶段,拔得市场的头筹。 (数据源:LEDinside)


在这一份报告中,将Micro LED芯片的尺寸定义在100μm以下,不过目前,业界对于开发Micro LED的主流尺寸还是在150μm,巨量转移技术的开发也都是以150μm为目标来进行,因此相信市场上所出现第一代Micro LED显示器以及投影机模块的LED尺寸将会落在150μm。 此后伴随着市场接受度提升以及产能规模的扩大,才会有机会期待相关的竞争业者进一步的投入,并且开发出100μm或者尺寸比100μm更小的LED以及巨量转移技术。

但是,对于Micro LED显示器的制造量产技术来说,巨量转移技术只不过是4大主要量产制程关键技术之一而已,其他还有非常多的困难需要去一一的克服。 目前对于巨量转移技术来说,如何达到低投资高产效需要视几个方面来观察,包括了设备精度的提升、降低转移时的不良率、缩短生产时间、高可靠的检测方式与设备、不良品的在处理利用、降低量产成本以及更聪明的量产方法等, 这7个主要领域的进展速度。

技术瓶颈逐一突破

并非只有巨量转移的技术是最难度的,就像能够达到RGB三原色Micro LED中的红光部分以及在微米等级里如何提升LED的亮度,困难度也非常高,这相对考验着LED磊晶业者的技术能力。

此外,甚至于包括LED芯片的供货商、半导体业者,以及显示器整体的供应链也都要加入以及配合开发出,如 LuxVue、eLux、VueReal、X-Celeprint、法国CEA-Leti、Sony 及冲电气工业、镎创、工研院、 Mikro Mesa 及台积电等等,能让Micro LED显示器进入真正量产所需要的各种生产设备、量产材料、检测标准以及制造技术。 但是由于各业者之间仍旧有着相当大的差异性与能力不同,因此更需要抛除各自的偏见,在各自擅场的领域提升技术层次,并且全心通力合作,来跨越技术性的阻碍,当然这也是需要投入相当程度的资金、人力与时间。

例如,在材料方面,2017年4月全球最大蓝宝石晶圆供货商俄罗斯大厂Monocrystal,也针对未来Micro LED所需,发表了Ultra Clean等级的蓝宝石磊晶晶圆,Monocrystal利用最新进的洁净技术, 将蓝宝石晶圆表面1μm以下的污染物清除到20~50个左右。 Ultra Clean等级的蓝宝石晶圆,在进行图形化蓝宝石晶圆基板制程(PSS ; Patterned Sapphire Substrate)时,就不须进行前段洗净的作业工程,这样的结果下可以让PSS业者的良率提升到95%~99%,进而减少耗损以及降低成本。 这对于正在起步开发Micro LED的LED芯片制程业者来说,无异是相当大的助力(图3)。


图3 : Monocrystal的新一代高洁净蓝宝石晶圆将大幅提升制程良率。


更进一步的来看,目前能够实现Micro LED显示器大量生产的决定点,如果以工业制程6个标准偏差(6σ)来看的话,LEDinside认为巨量转移制程的良率须达到4个标准偏差等级(4σ),才有机会商品化。 但这样的程度下,检测成本以及缺陷修复的成本仍然相当高,因此,期待要做出成熟的商品化Micro LED显示器产品,并达到具有市场竞争力的量产成本的话,LEDinside相信Micro LED显示器的巨量转移良率至少要达到5个标准偏差(5σ)以上。

MicroLED的商品化关键

目前开发中的巨量转移制程有数种的解决方案,包括应用市场、设备投资、小时产能(UPH)、以及量产成本等等各种的技术,但是最终将会选择其中一项来作为进入商品化的突破点,此外各业者的制程能力及良率控制,也是影响产品开发的关键。

以现有发展状况看来,LEDinside认为被定义100μm以下的Micro LED显示器将会最先被应用在室内大型显示设备以及穿戴式产品上,例如智能手表、智能手环等。 由于目前要完成巨量转移的量产技术的难度还是非常的高,因此目前投入的业者大多还是以现有的晶圆接合制程设备(Wafer Bonding Process)作为方案来进行研发。 不过现下各应用产品所需求的画素数目都不相同,因此为了达到缩短研发与量产的时程,或许会先以画素需求较少的产品应用作为先期开发目标。

到目前为止,唯一将Micro LED显示器技术进展到商品化的只有SONY(SONY),SONY利用了Micro LED显示技术将显示器开发成大型电视墙的型态,并命名为CLEDIS(图4)。


图4 : SONY利用了Micro LED显示技术将显示器开发成大型电视墙的型态,并命名为CLEDIS。


SONY采用自行所开发比一般LED尺寸更小,面积约20μm平方的RGB Ultra Fine LED芯片,并且将数量庞大的LED芯片封装在黑色的基板上。 并且将每一片基板以密铺(Tiling)的方式,形成一个宽度9.7公尺 X 高度2.7公尺的8K X 2K的大型显示器,达到了可以随心所欲的将屏幕画面进行缩放(Scalable)。 初期,SONY所锁定的目标客户为工业设计以及仿真应用的市场领域,并且也将客户目标族群横跨到饭店和需要进行展示的企业。

SONY的CLEDIS是利用封装的方式来让单一RGB LED芯片形成一个画素,因为LED的发光能力是会取决于材料本身的特性。 一般而言,绿光和蓝光的LED芯片是利用蓝宝石、碳化硅(SiC)或者是氮化镓(GaN)晶圆为基板来完成发光层,而红光的部分则是采用砷化镓(GaAs) 晶圆来进行制程作业,基本上是不太可能在同一片材料基板上同时完成红光、 蓝光和绿光的LED发光结构。

RGB LED芯片的技术难题

由于CLEDIS是作为电视墙用,所以本身的尺寸较大,因此在RGB LED芯片的封装间距上并没有太过紧密性的要求。 但是如果一旦面对如APPLE WATCH这样的应用,在极小的面板尺寸下,如果要求Micro LED显示器在多元化应用与高精细显示能力能更上一层楼的话,在同一片晶圆材料上完成单片式RGB LED芯片的制程技术与材料, 以及超高密度的封装技术就相当的被期待了,但这也是目前Micro LED显示器最大的瓶颈点。

但在同一片晶圆材料上完成单片式RGB LED芯片,这也不是不可能发生的事情,目前在同一片晶圆上完成RGB LED芯片,已经有一些技术被提出来讨论,例如,利用薄膜来进行波长变换技术,或是Micron(Nano) Wire LED芯片....等等。

利用薄膜来进行波长变换的技术想法,是VerLASE Technologies在2015年所发表的。 VerLASE Technologies称之为「Chromover波长变换技术」,关键的薄膜变换层,VerLASE Technologies是利用硒化镓、二硫化钨、二硫化钼等等材料,在石墨烯上形成片状的薄膜, 这项技术VerLASE Technologies已经在美国取得技术专利。

Chromover波长变换技术是在蓝光LED芯片数组上,采用将共振器腔面围绕在半导体量子井,进而能在同一材料晶圆上进行将薄膜变换层进行重迭,就能够在薄膜激发蓝光的时候,进行绿光和红光的变换。 这个构想是希望能够取代目前利用荧光粉以及量子点来进行发光颜色改变的构想(图5)。


图5 : VerLASE Technologies希望能够取代目前利用荧光粉以及量子点来进行发光颜色改变的构想。

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关键字:LED

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/LED/article_2017110312316.html
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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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