工研院攜手LED 驅(qū)動IC 廠聚積科技、PCB廠欣興電子與半導體廠錼創(chuàng)科技，四方合力研發(fā)的次世代顯示技術(shù)微發(fā)光二極體(Micro LED)又有新進展。繼去年展出全球第一個直接轉(zhuǎn)移至PCB 基板的Micro LED 顯示模組后，時隔一年再公開的合作結(jié)晶成功實現(xiàn)了“『R』GB”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 顯示模組，成功將Micro LED 陣列晶粒直接轉(zhuǎn)移到PCB 基板，只是“R”GB 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 顯示模組，間距(Pitch)小于800 μm、解析度80 x 80 pixel，新版模組尺寸為6 cm x 10 cm，間距約在700 μm 以下、解析度96 x 160 pixel，LED 晶粒尺寸則同樣在100 μm內(nèi)。從前端制程到后端轉(zhuǎn)移，工研院電光所智能應用微系統(tǒng)組副組長方彥翔博士提到兩大技術(shù)難題，一是紅光晶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 顯示模組獨缺紅光，間距小于800 μm、解析度80 x 80 pixel
▲2019 年新版Micro LED 顯示模組成功達成RGB，間距約700 μm以下、解析度96 x 160 pixel
“以晶粒利用率和良率來看，紅光還是問題，”方彥翔以4 吋LED 晶圓為例指出，晶圓扣除2 mm 外徑后，可用區(qū)域的良率在單一標準值下或許可達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)值標準都要兼?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，假設巨量轉(zhuǎn)移模組的轉(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 陣列晶粒都必須符合前述三項良率標準，不能有壞點才能進行轉(zhuǎn)移，也就是說整片晶圓里可能只有某個特定區(qū)塊符合所有標準，良率不夠穩(wěn)定導致能轉(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，晶圓晶粒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 晶粒在制程階段得先跟矽或玻璃等材質(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。當轉(zhuǎn)移模組向上吸取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 本身夠不夠強固、承受壓力時是否仍能保持完好，而紅光比起藍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。去年工研院便展出過一款6 cm x 6 cm、間距約750 μm、解析度80 x 80 pixel 的Micro LED 透明顯示模組，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 透明顯示模組，尺寸為4.8 cm x 4.8 cm，間距約375 μm、解析度120 x 120 pixel，明顯比前一款的顯示效果更為細致。
▲2018 年版Micro LED 透明顯示模組，間距約750 μm、解析度80 x 80 pixel
▲2019 年版Micro LED 透明顯示模組，間距約375 μm、解析度120 x 120 pixel
聚焦三大應用：電競熒幕、AR、透明顯示器
Micro LED 具備高亮度、高效率低功耗、超高解析度與色彩飽和度、使用壽命較長等特性，在電競熒幕(Gaming Monitor)、擴增實境(AR)、透明顯示器等應用領(lǐng)域，要比OLED、LCD 更能發(fā)揮優(yōu)勢，而這三大應用也是工研院最為看好也正積極發(fā)展的方向。
以電競熒幕應用來看，方彥翔提到目前市場上雖然已有次毫米發(fā)光二極體(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喈斂善凇?/p>
▲工研院Mini LED 顯示模組采用PCB基板，模組尺寸6 cm x 6 cm、間距小于800 μm、解析度80 x 80 pixel
提到Micro LED 應用于AR 的發(fā)展機會，方彥翔已不只一次表達過正面看法。他認為Micro LED 有機會在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(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)制程進行制作，效率將大幅下降，在一定功耗要求下，光要達到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，就必須從半導體的結(jié)構(gòu)和制程去改變，要有突破才有辦法達到”。盡管AR 應用可能還需要五年才有機會實現(xiàn)，但他認為這確實是臺灣可以發(fā)展的Micro LED 利基市場。
至于工研院所開發(fā)的透明顯示器采被動式無TFT，主要以3 到4 吋模組拼接形式，聚焦車載和被動式應用。提到透明顯示器車載應用，方彥翔指出，OLED 透明度雖然可達60% 到70%，但解析度難做高;Micro LED 透明度可達70% 以上，顯示也相對更清晰。目前工研院正與廠商進行產(chǎn)品試做，也會持續(xù)發(fā)展有關(guān)應用。
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 達不到的技術(shù)就是Micro LED 的機會，尤其電競熒幕、AR 和透明顯示器等高技術(shù)門檻的利基應用，或許可為臺灣發(fā)展Micro LED 的路上亮起希望。
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