MicroLED淺析：優勢、技術難點及可實現領域

儘管固態照明迅速發展，但是顯示屏的背光仍然是LED的實質性市場。十多年來，屏幕都是由這些設備進行顯示的最初這些設備被放置在傳統的封裝中，最近更多地是在晶元級的封裝中，而且它們現在是LCD的背光源。

LED封裝的一個最成功案例是作為大型視頻廣告牌中的光源，比如在體育場館、商場等。根據顯示屏的尺寸和解析度，包含紅色、綠色和藍色晶元的分立封裝LED形成單個像素，間距通常為1 mm至40 mm。

截止今日，LED都沒有被用作為小間距顯示屏中的直接發光元件，即像素。這種現象是由許多問題造成的，包括成本和製造可行性。但是，使用MicroLED和亞毫米像素間距生產顯示屏的想法可以追溯到LED起步時期。

在過去五年中，開發基於MicroLED的顯示器興趣大增，尤其是2014年蘋果公司收購Luxvue之後。去年10月，Facebook收購沉浸式虛擬現實技術公司Oculus；而今年5月，夏普收購了另外一家MicroLED的新創公司eLux，以及最近Google注資瑞典Micro LED製造商Glo。

鑒於這些收購，證明microLED不只僅是停留在實驗室。那麼，這些大品牌為什麼對這項技術這麼感興趣呢？因為microLED可以將獨立的紅色、綠色和藍色子像素作為獨立可控的光源，能夠形成具有高對比度、高速和寬視角的顯示器。

事實上，MicroLED顯示器比OLED的對手要強很多，因為MicroLED有更寬的色域、帶來更高的亮度、更低的功耗、更長的使用壽命、更強的耐用性和更好的環境穩定性。此外，如蘋果最近的專利文件所示，MicroLED可以集成感測器和電路，實現具有嵌入式感測功能的薄型顯示器，如指紋識別和手勢控制。

雖然MicroLED仍然還未進入市場，但是它們還不只是停留在紙上的想法。在2012年1月的「International CES」上，索尼就展出了1920×1080像素的55英寸MicroLED顯示器，包含620萬個子像素，每個都是可獨立控制的MicroLED晶元，受到媒體的強烈關注。但是，索尼對於商業化還沒有給出時間表，到目前為止，沒有一台microLED電視機進入市場。

MicroLED本質上是一項很複雜的技術

今天，MicroLED還沒有一個普遍認可的定義。但是，一般來說，MicroLED被認為是總表面小於2500 mm2的LED晶元。這相當於是50mm×50mm的正方形，或直徑為55mm的圓形晶元。 根據這一定義，microLED今天已經出現在市場上了： 索尼在2016年再次亮相，採用小間距大型LED視頻牆的形式，傳統的LED封裝由MicroLED替代。

製造MicroLED顯示器的技術涉及方方面面：將LED基板加工成準備用於拾取和轉移到接收基板的MicroLED陣列，用於集成到非均勻集成的系統中：顯示器。顯示器又集成LED、像素驅動晶體管、光學器件等。外延片可容納數億MicroLED晶元。

實現MicroLED顯示屏有兩個主要選項。一個是將MicroLED單獨或分組地拾取並轉移到薄膜晶體管驅動矩陣上，這類似於OLED顯示器中使用的；另一個是使用CMOS驅動電路將數十萬個MicroLED的完整單片陣列組合起來。

如果採用這兩種方法中的第一種，則組裝一個4K顯示器需要拾取、放置和單獨連接2500萬個MicroLED晶元（假設沒有像素冗餘）到晶體管背板。用傳統的拾放設備操縱這樣的小型設備，每小時的加工速度約為25,000個單位。這太慢了， 組裝單個顯示器將需要一個月的時間。

為了解決這個問題，像蘋果、X-Celeprint等數十家公司已經開發出大規模的並聯抓取技術。他們可以同時加工數萬到數百萬的MicroLED。但是，當MicroLED尺寸僅為10μm時，以足夠的精度加工和放置非常具有挑戰性。

還有一些與LED晶元相關的問題要克服。當其尺寸非常小時，其性能會受到與表面和內部缺陷（例如開放式粘合、污染和結構損壞）相關的側壁效應的影響。這些缺陷導致非輻射載體重組加速。側壁效應可以延伸到類似於載體擴散長度的距離（通常為1mm至10mm）：這在傳統的LED中並不重要，因為其具有數百微米的邊緣，但在MicroLED中卻是十分致命的。在這些設備中，它可以限制晶元整個體積的效率。

由於這些缺陷，MicroLED的峰值效率通常低於10％，當設備尺寸低於5mm時，它的峰值效率可能小於1％，這遠遠低於目前最好的傳統藍光發射的「macro」LED，它現在可以產生超過70％的外部量子峰值效率。

更糟的是，MicroLED通常必須以非常低的電流密度運行。它們通常在低於1-10 A cm-2峰值效率區域驅動，因為即使在這種低效率下，LED也是非常明亮的。如果一台帶MicroLED的手機以其最高效率運行，其顯示屏將提供高達數以萬計nits的亮度，比目前市場上更亮的手機高出一個級別。屏幕會很亮，以至於膽大的用戶都不敢看。

當LED以非常低的電流密度工作時，它們的效率非常低，使得該技術不能實現其削減能量消耗的承諾。因此，解決這個問題就成為MicroLED公司的優先事項。提高效率的辦法包括引入新的晶元設計和改進位造技術。這兩種方法都可以減少側壁缺陷並使電載體遠離晶元的邊緣。

MicroLEDs的開發人員也面臨與色彩轉換、光提取和光束成形有關的挑戰。

現代顯示屏的另一個要求就是消除壞點或有缺陷的像素。在外延、晶元製造和轉移方面實現100％的綜合收益率是不太可能的，所以MicroLED顯示器製造商必須制定有效的缺陷管理策略，可以包括像素冗餘和單個像素修復，這得取決於顯示器的特性和成本。

目前MicroLED最容易實現的領域

MicroLED能夠部署在從最小到最大的任何顯示應用中。在許多情況下，它們將比LCD和OLED顯示器的最終組合更好。但是，生產可行性和經濟成本限制了其使用。然而，詳細的分析表明，智能手錶和其他可穿戴產品，如AR / MR應用的微型顯示器，最能顯示MicroLED顯示器的性能。

其中，在智能手錶上實現MicroLED是最有可能的，因為智能手錶具有相對較少的像素數和中等範圍的像素密度，因此，晶元和組裝成本效率高，也最接近MicroLED當前技術發展的狀態。它們具有潛在的差異化功能，包括能夠延長電池壽命、降低功耗以及更高的亮度，從而提供戶外環境下良好的可讀性。

如果這些顯示器開始大量出現，那麼在顯示器前端平面內可引入各種感測器，例如可以讀取指紋並提供手勢識別。

MicroLED的另一個主要機會就是增強現實（AR）和混合現實（MR）的頭戴式顯示器。在虛擬現實中，用戶佩戴完全封閉的頭戴式顯示器將其與外界視覺隔離；而AR和MR應用則將計算機生成的圖像覆蓋到現實世界中。

MicroLED顯示器是通過將晶片切割成微小器件，

並以並行拾取和放置技術將其轉移到晶體管底板

這些應用的要求之一是，覆蓋的圖像要足夠亮，可與環境光競爭，特別是在戶外應用中。

為了滿足這些條件，顯示器必須放在不引人注意的位置，使用光學效率小於10％的複合投影或波導光學器件將圖像投影到眼睛上。這些要求決定了顯示器的亮度範圍從10,000到50,000 Nits，這比市場上最好的手機的亮度高出10倍到50倍。

今天，MicroLED是唯一有潛力提供這些亮度水平的候選，同時保持合理的功耗和緊湊性。令人鼓舞的是，同樣的推理可以應用於汽車和其他環境中的平視顯示器中，這類顯示器可以被認為是AR的一種形式。

MicroLED想努力產生影響的市場就是智能手機。目前，OLED顯示器已經以非常有競爭力的成本提供了非常出色的性能。如果MicroLED也參與其中，則子像素的尺寸必須減小到幾微米，這樣的話，提供可接受的效率會更難。

在電視上取得成功的可能則更高。在這種情況下，缺點是像素密度相對較低，在4K、55英寸電視中的間距約為100毫米。低密度阻礙了轉移技術的效率，因為每個周期需要移動數千個晶元，而智能手機或智能手錶則是數十萬個。想在這個市場上蓬勃發展，就需要開發替代的高效率裝配技術。