臺(tái)工研院MicroLED技術(shù)現(xiàn)已克服紅光芯片良率等難題

　　臺(tái)工研院攜手 LED 驅(qū)動(dòng) 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(gè)直接轉(zhuǎn)移至 PCB 基板的 Micro LED 顯示模塊后，時(shí)隔一年再公開的合作結(jié)晶成功實(shí)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(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)對(duì)領(lǐng)域?qū)＜叶远加胁灰淄黄频钠款i。去年臺(tái)工研院與三廠合作開發(fā)的被動(dòng)矩陣式驅(qū)動(dòng)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(dú)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(tái)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(dú)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(dòng)電壓(Forward Voltage，Vf)或反向漏電(流)(Reverse Leakage (Current)，Ir);但若三項(xiàng)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)都要兼?zhèn)洌w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(duì)轉(zhuǎn)移的面積去定義良率。簡(jiǎn)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(xiàng)良率標(biāo)準(zhǔn)，不能有壞點(diǎn)才能進(jìn)行轉(zhuǎn)移，也就是說整片晶圓里可能只有某個(gè)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(duì)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(shí)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(duì)于微縮到微米等級(jí)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(shí)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(jí)柱子支撐。當(dāng)轉(zhuǎn)移模塊向上吸取 LED 時(shí)，只要斷開柱子便能將 Micro LED 脫離暫時(shí)基板，再轉(zhuǎn)移下壓至 TFT 或 PCB 板上，但這一步驟也考驗(yàn) LED 本身夠不夠強(qiáng)固、承受壓力時(shí)是否仍能保持完好，而紅光比起藍(lán)光和綠光相對(duì)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?yàn)榇植诙葲]有 PCB 板來得大，Micro LED 轉(zhuǎn)移難度也相對(duì)較低。去年臺(tái)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(shí)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(jìng)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(jìng)屏幕(Gaming Monitor)、擴(kuò)增實(shí)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(shì)，而這三大應(yīng)用也是臺(tái)工研院最為看好也正積極發(fā)展的方向。

　　以電競(jìng)屏幕應(yīng)用來看，方彥翔提到目前市場(chǎng)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(duì)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(fèi)市場(chǎng)的發(fā)展?jié)摿ο喈?dāng)可期。

　　▲ 臺(tái)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(huì)，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(huì)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(diǎn)(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(gè)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(huì)實(shí)現(xiàn)，但他認(rèn)為這確實(shí)是臺(tái)灣地區(qū)可以發(fā)展的 Micro LED 利基市場(chǎng)。

　　至于臺(tái)工研院所開發(fā)的透明顯示器采被動(dòng)式無 TFT，主要以 3 到 4 英寸模塊拼接形式，聚焦車載和被動(dòng)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(duì)更清晰。目前臺(tái)工研院正與廠商進(jìn)行產(chǎn)品試做，也會(huì)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(shí)間，若朝 OLED 和 LCD 現(xiàn)有市場(chǎng)發(fā)展替代應(yīng)用已經(jīng)太晚，也不一定會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，加上良率有限、成本難降，要跟技術(shù)成熟的 LCD 和 OLED 競(jìng)爭(zhēng)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(huì)，尤其電競(jìng)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(tái)灣地區(qū)發(fā)展 Micro LED 的路上亮起希望。