漫谈Micro LED技术

类别：技术与产品发表于：2019-11-15 16:14

关键字：MicroLED

摘要：Micro LED作为一种新兴的显示技术，目前在业界得到了广泛的关注。由于其采用无机LED发光，所以较LCD，OLED等技术有独特的优势。但是，目前Micro LED收到一些瓶颈技术的限制，特别是巨量转移工艺上，即使业界能够在有所突破，但要真正提高良率，降低成本，也需要花费时日。

1、现状

LG 2019年1月在美国拉斯维加斯的CES 2019上展示了其全球第*款AM Micro LED，值得关注。

在此前的的CES 2018中，三星已经推出其Micro LED电视THE WALL，如下图所示，这款产品的尺寸是146″。

▲三星 THE WALL

在更早的CES 2017上，索尼就推出了以144片Micro LED拼接而成的CLEDIS 显示器。但无论是这里说到的三星还是索尼的产品，其采用的都是PM（Passive Matrix）技术，其背板技术无论是在其本身工艺上还是在「巨量转移」上，难度较LG推出的AM（Active Matrix）技术小不少。

▲索尼 CLEDIS

那么，Micro LED的产品是不是马上就会走进我们的生活中呢？这里让我们来谈一谈这个技术。

2. 什么是Micro LED

顾名思义，Micro LED就是「微」LED，作为一种新显示技术，与其它显示技术，比如LCD，OLED，PDP，其核心的不同之处在于其采用无机LED作为发光像素。对于「Micro」这个概念，到底定义是多少呢？像素尺寸一般要到100μm以下。

▲TFT-LCD/OLED/MicroLED技术比较

LED并不是一个新事物，作为发光二极管，其在显示上的应用本应该是顺理成章的事情。但是很长一段时间，除了户外广告屏上的应用之外，LED显示应用一直不能发展起来，其原因是：

a.要做到手机屏/电视这种级别的显示器，LED像素在尺寸上难以做小；

b. LED外延晶片与显示驱动工艺不兼容，且需考虑大尺寸显示的问题，所以针对MicroLED需要开放合适的背板技术。

c. 如何将「巨量」的三色微小LED转移到制作好驱动电路的基底上去，即「巨量转移」技术，也是决定MicroLED能否商业的关键。

▲Micro LED制作图示

▲Micro LED难点

3. MicroLED瓶颈——「巨量转移」技术（Mass Transfer）

如上面所讲，制作好的微小的LED需要转移到做好驱动电路的基底上。想想看，无论是TV还是手机屏，其像素的数量都是相当巨大的，而像素的尺寸又是那么小，并且显示产品对于像素错误的容忍度也是很低的，没有人愿意去购买一块有「亮点」或「暗点」的显示屏，所以将这些小像素完美地转移到做好驱动电路的衬底上并实现电路连接是多么困难复杂的技术。

实际上，「巨量转移」确实是目前Micro LED商业化上面的一大瓶颈技术。其转移的效率，成功率都决定着商业化的成功与否。

▲巨量转移技术（Mass Transfer）

目前看来，「巨量转移」都还是一个「量产前」技术，为了实现「巨量转移」的目标，市面上一些相当不一样的技术。现在总结如下：

▲巨量转移技术路线

如上图所示，目前根据已有的资料调查显示，巨量转移技术按照原理的不一样，主要分为四个流派：精准抓取，自组装，选择性释放和转印技术。但是即使是属于同一个技术流派，实现的方式也是很有差别，因此很难给出一个精准的划分。

如下列出在巨量转移上开展开发的一些厂商：Luxvue, Cooledge, VueReal, X-Celeprint, ITRI, KIMM, Innovasonic, PlayNitride, ROHINNI, Uniqarta, Optivate, Nth degree, e-Lux, SelfArray

3.1 Pick&Place技术

3.1.1 采用范德华力

如下为X-Celeprint的Elastomer Stamp技术，这属于pick&place阵营的范德华力派。其采用高精度控制的打印头，进行弹性印模，利用范德华力让LED黏附在转移头上，然后放置到目标衬底片上去。目前采用的弹性体（Elastomer）一般是PDMS。X-Celeprint也称其技术为Micro-Transfer_Printing（μTP)技术。

▲X-Celeprint: Elastomer Stamp

要实现这个过程，对于source基板的处理相当关键，要让制备好的LED器件能顺利地被弹性体材料（Elastomer）吸附并脱离源基底，先需要通过处理LED器件下面呈现「镂空」的状态，器件只通过锚点（Anchor）和断裂链（Techer）固定在基底上面。

当喷涂弹性体后，弹性体会与器件通过范德华力结合，然后将弹性体和基底分离，器件的断裂链发生断裂，所有的器件则按照原来的阵列排布，被转移到弹性体上面。制作好「镂空」，「锚点」和「断裂点」的基底见下图所示。

▲Rogers, J. A., et al. (2011). Unusual strategies for using indium gallium nitride grown on silicon (111) for solid-state lighting, PNAS

X-Celeprint在其发表在「2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference」上面的论文，展示了一些源基板制作的一些概念。

如下图所示，通过对器件底部的一些处理，然后通过刻蚀的方法，可以制作成时候这种转移方式的器件结构。但是详细的工艺，仍然还有待确认。

▲源基底处理

如下为X-Celeprint公司展示的实例。

▲X-Celeprint展示的实例

3.1.2 采用磁力

利用磁力的原理，是在LED器件中混入铁钴镍等材料，使其带上磁性。在抓取的时候，利用电磁力控制，达到转移的目的。目前ITRI，PlayNitride在这方面做了大量的工作。

3.1.3 采用静电力

Luxvue是苹果公司在2016年收购的创业公司。其采用的是静电力的peak-place技术。其具体的实现细节我没有查到，只有如下的两个专利或许能透漏出其细节的一鳞半爪。希望后面能得到更多的细节。采用静电力的方式，一般采用具有双极结构的转移头，在转移过程中分布施加正负电压，当从衬底上抓取LED时，对一硅电极通正电，LED就会吸附到转移头上，当需要把LED放到既定位置时，对另外一个硅电极通负电，转移即可完成。

▲LuxVue专利

3.2 自组装技术

美国一家新创公司SelfArray展示了其开发的自组装方式。首先，其将LED外表包覆一层热解石墨薄膜，放置在磁性平台，在磁场引导下LED将快速排列到定位。

采用这种方式，应该是先会处理磁性平台，让磁性平台能有设计好的阵列分布，而分割好的LED器件，在磁场的作用下能快速实现定位，然后还是会通过像PDMS一类的中间介质，转移到目标基底上去。根据推测，这种技术方式的好处有如下：

· 避免对源基板的器件进行复杂的结构设计去适应巨量转移工艺。

· 因为LED会批量切割，因此可以在转移前进行筛选，先去除不合格的LED。

· 采用磁性自组装，预计时间会更加快速。

· 源基板不需要过多考虑目标基板的实际阵列排布，预期可以有更大的设计空间。

Selfarray的官方有视频，大家可以自己去看一下：http://selfarray.com/

还有一家利用流体进行自组装装配的企业是eLux。eLue于2016年在美国成立，eLux与日本夏普的渊源很深，CEO Jong-Jan Lee与CTO Paul Schuele均出自夏普美国实验室（Sharp Laboratories of America）。

2017年富士康通过其子公司CyberNet Venture Capital向其注资1000万美元，2018年有于群创光电,AOT和夏普一起，正式收购eLux的全部股权。所谓流体自组装，就是利用流体的力量，让LED落入做好的特殊结构中，达到自组装的效果。

▲eLux流体自组装

3.3 选择性释放技术

Uniqarta是一家英国公司，其采用其成为LEAP(Laser-Enabled Advanced Placement)技术。通过激光束对源基底的快速扫描，让其直接脱离源基板而集成到目标基板上。对于这种技术的前景，目前仍然需要更多技术细节的支持。

▲Uniqarta's LEAP技术

而Coherent的方案与Uniqarta有些类似，但其也要用到中介转移的载体，不过对于载体和源基底的分离，其采用的是线激光束。而将LED器件从载体转移到目标基底，则采用了点激光。

▲Coherent技术方案

3.4 转印技术

如下为KIMM公司的转印技术技术，转印技术通过滚轮将TFT与LED转移到玻璃基底上面。对于这种技术，技术难度看起来非常大，特别是在于如果保证生产良率上面。

▲KIMM公司的转印技术

▲Innovasonic公司的转印技术

4、Micro LED其它需要关注的问题

除了巨量转移之外，Micro LED的整个工艺链都需要投入大量的时间去予以改进和优化。如下图所示，为Micro LED产品生产的工艺链，其中就涉及到：衬底材料和尺寸的选择，外延工艺的选择，彩色实现的方案，巨量转移技术的选择，缺陷的检测和维修和整个工艺链上成本的压缩等等。这必将花费业界大量的时间去持续推进。