面板研究:Micro-LED 即将到来的显示技术革新

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新一代显示技术之争一直都没有消停过,从PDP、CRT到LCD,再到OLED、QLED,在OLED和QLED关于未来显示地位之争难舍难分之时,Micro LED强势进入视野。

来源Research

编语:面板之争 谁主沉浮

新一代显示技术之争一直都没有消停过,从PDP、CRT到LCD,再到OLED、QLED,在OLED和QLED关于未来显示地位之争难舍难分之时,Micro LED强势进入视野。

无论是OLED、QLED,还是Micro LED,可以看到的是自发光是显示的趋势,相比于LCD,Micro LED 有更高的亮度、色彩饱和度、色彩还原力、响应速度等,而且是自发光,功率消耗量更低,相比OLED,Micro LED 的亮度还是要比OLED 更高,寿命也会更长,性能更加稳定,亮度和色彩饱和度更高,响应速度也更快,此外,Micro LED的体积约为目前主流LED大小的1%,且应用范围非常广阔,可应用小至手环和手表等可穿戴设备,大至商用广告牌和公共显示屏,甚至VR或者VR设备等的,并且表现比传统的液晶面板甚至OLED都更好一些。

此外,OLED、QLED、Micro LED有诸多相似之处,都离不开电流驱动TFT结构,即 “LTPS”、“a-Si”和“IGZO”TFT驱动结构技术,OLED、QLED、Micro LED的核心区别主要在于在TFT结构之中封装的发光材料是OLED、QLED还是Micro LED,TFT结构上排列电光转化材料的差异决定了OLED、QLED、Micro LED显示效果的不同。

目前,OLED技术成熟,QLED、Micro LED整体而言仍处于实验室阶段,但可从OLED发展中得到大部分工艺经验,未来至少有7成是可被QLED和Micro LED所吸收的。至于OLED、QLED、Micro LED哪一个技术能够最终成为赢家,并非全部取决于技术性能的对比,而是工程实践、规模制造下的成本控制、技术可靠性。

正文如下

彩色显示经过了 CRT显像管、等离子等显示技术,目前LCD已成为显示技术的主流,OLED 则是正在快速成长的下一代显示方式,有别于LCD需使用背光模组,OLED则是利用有机发光二极管作为自发光光源,无需背光源,自发光显示技术也是未来的显示技术主流。

作为自发光的下一代显示技术,Micro-LED有望成为新一代的显示技术,目前,包括索尼、苹果、三星等厂商都将 Micro-LED 视为次世代显示技术,不断加强研发投入。

图:显示技术的发展路径

一、Micro-LED:自发光显示时代的新选择

与LCD、OLED显示技术不同的是,Micro-LED的显示方式相对直接、结构更加简单。Micro-LED是指在芯片上集成的高密度微尺寸LED阵列,将10μm尺度的LED芯片连接到TFT驱动基板上,阵列中的LED像素点距离在10μm量级,每个尺寸在10μm尺寸的LED每个像素点定址化、单独驱动,具有自发光特性。相比于使用LED背光背板的LCD显示技术以及LED显示技术,Micro-LED具有发光效率高、高亮度、功耗低、无影像烙印、响应速度快、寿命长的特点。

图:三种主流显示技术路线图

1、优点突出

2、应用广泛

3、市场前景

随着互联网、物联网等的发展,对显示技术不断提出新的要求,需要开发具备低功耗、高分辨率、高亮度等特点的高品质显示产品,Micro LED在这方面的具备突出优势,未来的前景非常值得期待。根据Yole Developpement预计,Micro LED应用的出货量将从2019的610万台增长到2025年的3.29亿台,6年复合增长率高达94.4%;LEDinside预计,Micro LED将替代的潜在显示器市场规模约为每年370亿美元。

短期来看,智能手表、VR/AR由于所需像素最有可能实现量产,随着技术逐渐成熟,将逐步在户外显示、智能手机、平板电脑和TV等领域实现商业化。

图:Micro LED 应用商业化量产速度

资料来源:LEDinside

二、Micro-LED显示关键技术解析

1、驱动方式

类似于 LCD 显示屏,Micro-LED 驱动方式也分为被动矩阵驱动方式和主动矩阵驱动方式(TFT)两种结构。在被动式矩阵驱动方式中,由一组水平像素共用同一性质的一个电极,一组垂直像素共用同一性质的一个电极,组成矩阵型结构,制作成本和技术门槛较低。在主动式矩阵驱动方式中,将像素的阴极共用N型GaN层形成连接,所有像素的阳极与硅基CMOS 驱动背板进行金属键合,形成每个像素单独寻址、独立控制。

图:Micro-LED 被动驱动方式                 图:Micro-LED 主动驱动方式

2、主要工艺

Micro-LED制程来说,目前还处于摸索阶段,现有的技术主要分为三大种类:芯片级焊接(Chip Bonding)、外延级焊接(Wafer Bonding)和薄膜转移(Thin Film Transfer)。从LED inside分析中摘取以下三种技术:

1)芯片级焊接(chip bonding):将LED直接进行切割成μm等级的Micro-LED Chip,再利用SMT技术或COB技术,将μm等级的 Micro-LED Chip一颗一颗键接于显示基板上;

2)外延级焊接(wafer bonding):在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP),直接形成μm等级的 Micro-LED 磊晶薄膜结构,再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱动电路基板上,最后使用物理或化学机制剥离基板,仅剩Micro-LED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上形成显示划素;

3)薄膜转移(Thin film transfer):通过剥离LED基板,以一暂时基板承载 LED 磊晶薄膜层,再利用感应耦合等离子离子蚀刻,形成μm等级的Micro-LED磊晶薄膜结构,或者,先利用感应耦合等离子离子蚀刻,形成μm等级的Micro-LED磊晶薄膜结构,通过剥离LED基板,通过暂时基板承载 LED磊晶薄膜结构。

3、彩色化方案

目前,主流的彩色化方案主要有三种,分别是RGB三色LED法、UV/蓝光LED+发光介质法、光学透镜合成法。

RGB三色法:RGB(红绿蓝)三原色是目前显示器的主流色彩配比的基础颜色,目前大部分显示器件均是由RGB三原色进行配比及混合形成我们能看的到的各种颜色,此方案的核心沿用了目前的显示方法,即采用RGB三个颜色的LED构成单位像素,受制于驱动芯片的因素,虽然三色LED可以形成上千万中颜色显示。但是实际输出电流与理论电流的偏差使得单个LED像素会存在色彩偏差的问题。

图:RGB全色彩显示的像素布局                图:RGB全色彩显示驱动原理

UV/蓝光LED+发光介质法:主要是利用UV Micro-LED,激发红绿蓝三色的发光介质如荧光粉或量子点,产生特定波长的光,并进行配比实现全彩色。将荧光粉涂布在画素表面,但其缺点是荧光粉吸收部分能量,降低了转化率,另一点则是随着Micro-LED的像素尺寸不断减少,荧光粉的涂布变得薄厚不均,并影响显示效果。

图:荧光粉彩色化Micro-LED的像素设计及显示效果


借由量子点技术的进步,发光介质的方法有了延续下去的可能,量子点的粒径一般介于1-10nm之间,可适用于更小尺寸的Micro-display。量子点受激后也可以发射荧光,发光颜色由材料和尺寸决定,因此可通过调控量子点粒径大小来改变其不同发光的波长。但是量子点技术至今还存在稳定性差、散热要求高、寿命短且需要密封、颜色均匀性不佳、颜色之间易互相影响等缺点。目前常采用旋转涂布、雾状喷涂技术来开发量子点技术,即使用喷雾器和气流控制来喷涂出均匀且尺寸可控的量子点将其涂覆在UV/蓝光LED上,使其受激发出RGB三色光,再通过色彩配比实现全彩色化。

图:高精度雾化喷涂系统(a)及原理(b)

图:利用高精度喷涂技术制作RGB三原色阵列

光学透镜合成法:利用光学棱镜将RGB三种颜色的Micro-LED合成全彩色显示,具体方法是将RGB三色的Micro-LED阵列封装到三块不同的封装板,并连接控制板以及三色棱镜。通过驱动面板传输图片信号,调整Micro-LED阵列亮度实现彩色化,利用光学投影镜头实现微投影。

图:棱镜光学合成法(a)、(b)及原理图(c)

4、芯片制备:倒装是趋势

Micro-LED 芯片制备流程与传统 LED 芯片类似,仅以蓝绿光芯片为例介绍生产流程:通过在蓝宝石衬底材料上进行 PSS 图形衬底、LED 外延生长、芯片加工处理等技术环节,出产 LED 芯片。Micro-LED 芯片从尺寸上相对普通 LED 芯片小得多,但是现有的刻蚀技术完全可以处理μm级别的芯片,从技术上并不存在特别大的难点。

1)蓝宝石衬底生长外延片(蓝绿光LED正装芯片)

首先对蓝宝石材料进行PSS图形化衬底,该步骤的目的是通过在蓝宝石衬底表面上刻蚀出规则排列的圆锥体来实现光在衬底内的多次反射,从而达到芯片外部光的取光效率的提升。此后在 PSS层上依次生长非掺杂缓冲层(U-GaN)、N型氮化镓(N-GaN)、有源层(MQWs,多量子阱)、P型氮化镓层(P-GaN)。

2)LED 芯片处理

LED 外延片再经过一系列光刻、台阶刻蚀、ITO 蒸镀、电极制作、保护层蒸镀、衬底减薄、背镀反射层等工艺,形成 LED 芯片结构。

图:芯片加工制造流程

资料来源:煜珑电子

LED芯片结构分为正装结构和倒装结构,其中,倒装工艺是未来发展趋势,倒装工艺主要优势在于: 1)倒装芯片p电极和n电极电极设计在同一平面,连接更方便;2)倒装芯片的热电属于同一通路,散热面积大,热量更为容易从芯片内部导出,导热速度快;3)倒装结构无高阻点、无虚焊失效点,不会出现正装芯片虚焊造成的死灯情况;4)不像正装需制作特殊的金属凸点,倒装芯片电极和基板直接键合的形式结构更简单,且可靠性提高;5)剥离蓝宝石基板,取光效率增加。

图:正装 LED 芯片结构与倒装芯片结构

资料来源:OFWEEK

5、颗粒转移:工艺最难点

Micro-LED 芯片为何要转移?传统的 LED 显示屏在芯片切割完毕后,直接对整颗 LED 灯珠进行封装,驱动电路与芯片正负极连接,驱动封装好的灯珠;而 Micro-LED 在光刻步骤后,并不会直接封装,这是由于封装材料会增大灯珠体积,无法实现灯珠间的微距。需要将 LED 裸芯片颗粒直接从蓝宝石基板转移到硅基板上,将灯珠电极直接与基板相连。

图:巨量转移原理图

数据来源: LED inside

目前Micro-LED转移的技术有范德华力、静电吸附、相变化转移和雷射激光烧蚀四大技术。其中范德华力、静电吸附及雷射激光烧蚀方式是目前较多厂商发展的方向,但是Elux 的专利布局是在相变化修复及转移的技术方面,较其他公司的转移技术有着不同之处。

Luxvue采用离子薄膜转移技术进行 Micro-LED 的灯珠转移,首先将灯珠金属层与临时基板进行贴合,通过范德华力、静电吸附及雷射激光烧蚀等方式以吸附 Micro-LED 灯珠。此后,通过物理或化学腐蚀的方法,除去蓝宝石基板,仅保留此前光刻后成型的Micro-LED灯珠。之后将生成好的灯珠向硅基板上转移,完成Micro-LED显示屏的制备。

微转印工艺流程:图A(弹性印模接近晶圆)→图B(弹性印模拾起芯片)→图C(弹性印模接近基板图)→D(印模将芯片“印刷”(放置)在基板上)

图: Micro-LED 灯珠与临时基板贴合    图:去除蓝宝石基板后的效果

关键技术挑战:

1)Micro-LED 芯片需要进行多次转移(至少需要从蓝宝石基板->临时基板->硅基板),且每次转移灯珠量非常大,对转移工艺的稳定性和精确度要求非常高。

2)对于RGB全彩显示而言,由于每一种工艺只能生产一种颜色的灯珠芯片,故需要将红色、蓝色、绿色灯珠芯片分别进行转移,需要非常精准的工艺进行灯珠的定位,极大的增加了转移的工艺难度。

目前,全球仅有LuxVue(苹果)、X-celeprint、eLux、台湾工研院等团队提出了巨量转移方案。

三、Micro-LED面临的几大商业化障碍

在CES 2018期间,韩国三星展示了Micro-LED “电视墙”、韩国企业Lumens展出了小尺寸和大尺寸的Micro-LED产品。但是,目前Micro-LED正面临巨大的量产难题,距商用仍需时日。

1、微缩制程

Micro-LED需μm级制程,目前主流的小间距LED芯片尺寸在200μm以下,芯片尺寸在1-10μm,但是目前市场上被小间距企业用于开发间距在1mm以下的小间距LED屏的尺寸最小的灯珠尺寸接近500μm。如苹果、索尼采取的是缩小发光面积的方法,可实现10μmx10μm,未来有望实现5μmx5μm以下的尺寸,且不漏电。2016年Mikro Mesa实验室宣布实现3umx3um尺寸。目前,行业技术在良率、稳定性仍存在巨大的挑战。

2、巨量转移

Micro-LED本质是将LED微缩化、阵列化之后,将大批量的微缩LED转移到电路基板上,核心技术难点是将巨量的微缩LED 转移到基板上,转移之后的LED 要具有均一性,才能达到发光显示预期效果,如Lumens研发的0.57英寸Micro-LED面板,虽然尺寸很小,但要放入约92万颗8μm的Micro-LED;若是大尺寸的Micro-LED 面板,如150英寸则需放入2500万颗Micro-LED。基于这样的技术要求,微缩化之后巨量转移非常关键,要求转移良率必须达到99.9999%,精准度控制在±0.5μm以内;RGB全彩显示需要对红、蓝、绿芯片分别转移,更是要求精准定位灯珠。

据LEDinside调查,目前巨量转移主要包括范德华力、静电吸附、相变化转移和雷射激光烧蚀四大技术,其中范德华力、静电吸附及雷射激光烧蚀方式是目前较多厂商发展的方向,而业内领先的Luxvue则是采用电学方式完成转运过程。

3、技术挑战

与OLED和QLED均可做成柔性显示的不同的,Micro-LED难以做成卷曲和柔性显示,这也导致其应用范围与覆盖应用的不足。此外,QLED也是OLED的强力竞争对手,目前从已经获得的成果来看,亮度和寿命均不次于Micro-LED。

4、成本挑战

Micro-LED需要两套衬底,其中一套衬底是大面积的硅衬底,当规模化生产时用料成本很高。另外,巨量的LED 成本也不菲。LGD首席技术官Kang In-Byung在接受采访时指出一个LED 颗粒成本低至1 韩元,当用到大尺寸Micro-LED 面板时,2500万颗LED晶粒的成本就是2500万韩元,再加上电路、背板等成本,Micro-LED 成品的价格就不是普通百姓能承受的,相比于AMOLED成熟的LTPS+OLED方案,成本没有优势。

虽然Micro-LED量产短期难以实现,但从目前的发展来看,未来仍有潜力取代OLED成为下一代显示技术。

图:不同显示技术的所处的阶段

资料来源:渤海证券研究报告

就目前在Micro LED无法打开局面的情况下,LED厂商退而求其次,发展出制造技术相对成熟的Mini LED作为Micro LED过渡性技术。

四、面对Micro-LED,各面板厂策略大相径庭

1、大陆:重心OLED,布局Micro-LED

国内面板厂商一边通过加码液晶面板强化产能优势,另一边通过大笔投资OLED来缩小与韩国的差距。目前,液晶面板和中小尺寸OLED是国内面板厂商重心,虽然具有技术潜力,有可能对液晶、OLED 形成一定的冲击,但是Mciro LED 不一定能够顺利产业化,中国大陆面板厂商只是将其作为前瞻性技术之一进行布局。目前,京东方、华星光电、维信诺等都在积极研发Mciro LED,但均未实现技术突破去,其中,雷曼股份对外宣称2020年推出Micro LED,三安光电预计在2019年第一季度建立首条Micro LED外延片和芯片生产线

2、美韩:转向OLED,引领Micro-LED

美国:苹果公司在2014开始布局Micro LED,并在2014年5月苹果收购LuxVue Technology,并取得多项Micro LED专利技术,此后也持续布局有关技术专利; 此外,据报道,苹果已经将Micro LED量产技术作为重要机密,投入了40亿美元,招募研发团队,对微型化LED晶粒、半导体封装及驱动IC等难点进行攻克,不断加速Micro LED的商业化进程。

韩国:面对中国大陆面板厂商抢先投资10.5/11代线,韩国三星Display、LG Display并没有选择跟投,而是在液晶上选择退守,并将战略重心转向OLED的同时,还在积极布局MicroLED,三星Display和LG Display分别展出了146 英寸、173 英寸Micro-LED 电视,其中,三星Display Micro-LED LED 芯片由台湾PlayNitride 提供,其良率仍比较低,为此,三星和三安光电合作推进LED芯片。

3、台湾:升级LCD,主攻Micro-LED

台湾工研院、晶电与17家厂商成立巨量微组装产业推动联盟(CIMS),借由串联显示、LED、半导体以及系统整合厂商,共同建立跨领域产业交流平台,推动研发联盟,建构中国台湾微组装产业生态;就个别厂商而言,群创在积极研发Micro LED,并先转向发展mini LED,预计2018年推出Mini LED相关产品;台积电正与苹果合作解决Micro LED的技术瓶颈问题;鸿海集团则是重金投资Micro LED,已投资美国eLux,并陆续找夏普、群创、荣创入股eLux,搭建产业联盟。

五、Micro LED 重塑产业链,蕴藏新的机会

Micro-LED与目前OLED的产业链具有很多相同、重叠的领域。唯一例外的是,对于LED 外延片,Micro-LED 是新的需求点,外延片获将成为是Micro-LED产业链中最优先获益环节,外延与芯片在LED产业链中技术含量高,设备投资额度大,同时利润率在整体产业链中也相对较高,具有规模化生产能力的企业数量相对较少,主要分布在美国、日本、欧盟、中国台湾等国家或地区。如日本:日亚、丰田合成、东芝、Genelite、昭合电工、大阳日酸等;欧美:Cree、惠普、欧司朗、飞利浦、Apollo(收购lumileds)、旭明、普瑞等;韩国:安萤、首尔半导体等;台湾:晶元光电、光宏、华上光电等;大陆主要是三安光电、华灿光电、乾照光电。

Micro-LED技术曲线下应用的最主要的是MOCVD,MOCVD也是制作外延片的关键,是技术含量最高、投资额最大的环节,全球MOCVD设备供应商主要有:美国维易科(Veeco)、德国爱思强(Axitron)、日本酸素(Nippon Sanso)、日新电机(NissinElectric);国内主要有北方微电子(冷壁直立炉管式,5个盘技术)、中微半导体(四个反应器集成系统技术)、永胜半导体设备(四个反应器集成系统技术)、理想能源 (Jusung like,一拖三技术)等。

此外,与传统LED封装不是的是,现主采用的是无引线的SMD封装,为此,芯片外生长和芯片转移联系极为紧密,上游企业完全有可能参与后端转移封装工艺,取代传统封装企业。


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