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LED技術自誕生以來，經歷了從固態(tài)照明電源、顯示領域的背光到LED顯示屏的多個發(fā)展階段。隨著技術的不斷進步，LED顯示屏的像素尺寸逐漸減小，但傳統(tǒng)的LED顯示屏在像素細膩程度、亮度、對比度等方面仍存在不足。

為了克服傳統(tǒng)LED顯示屏的局限性，Micro LED技術應運而生。Micro LED通過在一個芯片上集成高密度微小尺寸的LED陣列，實現(xiàn)了LED的薄膜化、微小化和矩陣化，其像素點距從毫米級別降至微米級別，從而顯著提升了顯示性能。

Micro LED技術，作為顯示領域的新星，正逐步走進大眾的視野。這項集高密度、高亮度、高色彩飽和度以及快速響應于一身的技術，被視為未來顯示技術的重要發(fā)展方向。然而，要真正實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用，Micro LED還需跨越重重難關。

一、Micro LED技術概覽

Micro LED技術，即LED的微縮化與矩陣化技術，代表了在單個芯片上集成高密度、微小尺寸的LED陣列的創(chuàng)新。這一技術使得LED顯示屏的每個像素都能被定址并單獨驅動點亮，可視為戶外LED顯示屏的微縮版本，其像素點間距已從毫米級降至微米級。

而Micro LED顯示屏，則是采用標準的CMOS集成電路制造工藝在底層制作LED顯示驅動電路，隨后利用MOCVD設備在集成電路上制作LED陣列，從而實現(xiàn)了微型顯示屏的制造，即LED顯示屏的縮小版。

Micro LED的像素單元尺寸在100微米（P0.1）以下，并被高密度地集成在芯片上。這種微縮化設計賦予了Micro LED更高的發(fā)光亮度、分辨率與色彩飽和度，以及更快的顯示響應速度。因此，它預期能夠應用于對亮度要求較高的增強現(xiàn)實（AR）微型投影裝置、車用平視顯示器（HUD）投影應用、超大型顯示廣告牌等特殊顯示應用產品，并有望擴展到可穿戴/可植入器件、虛擬現(xiàn)實（VR）、光通訊/光互聯(lián)、醫(yī)療探測、智能車燈、空間成像等多個領域。

顧名思義，Micro LED即“微型”LED。作為一種新興顯示技術，它與其他顯示技術（如LCD、OLED、PDP）的核心區(qū)別在于其采用無機LED作為發(fā)光像素。對于“Micro”這一概念，其像素尺寸通常需達到100微米以下。

LED并非新鮮事物，作為發(fā)光二極管，其在顯示領域的應用本應水到渠成。然而，長期以來，除了戶外廣告屏上的應用外，LED顯示應用一直未能廣泛發(fā)展。

其原因在于：

▶首先，要實現(xiàn)手機屏/電視級別的顯示器，LED像素在尺寸上難以做小；

▶其次，LED外延晶片與顯示驅動工藝不兼容，且需考慮大尺寸顯示的問題，因此針對Micro LED需要開發(fā)合適的背板技術；

▶最后，“巨量”的三色微小LED如何轉移到已制作好驅動電路的基底上，即“巨量轉移”技術，也是決定Micro LED能否商業(yè)化的關鍵。

由于像素單元低至微米量級，Micro LED顯示產品在多項性能指標上展現(xiàn)出優(yōu)勢。其功率消耗量僅為LCD的10%、OLED的50%，亮度可達OLED的10倍，分辨率可達OLED的5倍。

在設備兼容性方面，Micro LED有望承接液晶顯示高度成熟的電流驅動TFT技術，在未來顯示技術演進進程中具有一定優(yōu)勢。據(jù)分析，2024年Micro LED顯示的市場銷售額將達到6.94億美元，略高于Mini LED顯示。

二、顯示原理與制備工藝

Micro LED顯示原理主要涉及到LED結構的薄膜化、微小化和陣列化。

1、LED結構的薄膜化、微小化和陣列化：

①Micro LED的尺寸非常小，通常在1~10μm（微米）的等級。

②微小的LED結構被設計成陣列形式，以便在顯示屏幕上形成像素點。

2、μLED的批量式轉移：

①將這些微小的LED結構批量轉移到電路基板上。

②電路基板可以是硬性或軟性的，也可以是透明或不透明的。
    3、物理沉積制程：

①在μLED上，利用物理沉積制程完成保護層的制作。

②同時，也完成上電極的制作。

4、上基板的封裝：

進行上基板的封裝，從而完成一個結構簡單的Micro LED Display。
Micro LED顯示原理是通過將LED結構設計成微小、薄膜化的形式，并將其陣列化，然后轉移到電路基板上，再通過物理沉積制程完成保護層和電極的制作，最后進行封裝，形成一個結構簡單的Micro LED顯示屏。這種顯示屏具有高分辨率、高亮度、低功耗等優(yōu)點，是未來顯示技術的重要發(fā)展方向之一。

5、Micro LED典型結構

Micro LED的典型結構是一個PN接面二極管，由直接能隙半導體材料構成。這種結構使得Micro LED在顯示技術中展現(xiàn)出獨特的性能與優(yōu)勢。以下是對Micro LED典型結構及其特性的詳細解析：

Micro LED的典型結構是一個PN接面二極管，主要由以下幾部分組成：

①P型半導體：在PN結的一側，以空穴為主要載流子。

②N型半導體：在PN結的另一側，以電子為主要載流子。

③發(fā)光層：位于P型半導體和N型半導體之間，是電子和空穴復合發(fā)光的區(qū)域。

當上下電極施加一順向偏壓于μLED時，電流通過PN結，電子從N型半導體注入到P型半導體，同時空穴從P型半導體注入到N型半導體。在發(fā)光層中，電子和空穴復合，釋放出能量并以光子的形式發(fā)出單一色光。

⑴發(fā)光特性

▶高色飽和度：Micro LED發(fā)光頻譜的主波長的半高全寬（FWHM）僅約20nm，這提供了極高的色飽和度，通�？纱笥�120%NTSC，遠超傳統(tǒng)顯示技術。

▶高光電轉換效率：自2008年以來，LED的光電轉換效率大幅提高，100 lm/W以上的LED已成量產標準。這使得Micro LED在顯示應用中能夠更有效地利用電能轉化為光能。

⑵顯示優(yōu)勢

▶自發(fā)光特性：Micro LED作為自發(fā)光的顯示器件，無需背光模組，從而簡化了顯示器結構，降低了能耗。

▶低能耗：由于Micro LED的自發(fā)光特性和幾乎無光耗的元件設計，其能耗僅為傳統(tǒng)TFT-LCD的10%~20%，這對于穿戴型裝置、手機、平板等設備尤為重要，可顯著延長電池續(xù)航力。

▶高亮度：Micro LED能夠輕易達到1000nits以上的亮度水平，遠超傳統(tǒng)顯示技術。這使得Micro LED在戶外、半戶外等環(huán)境光較強的場合下仍能保持優(yōu)異的影像辨識度和色彩表現(xiàn)力。

Micro LED的典型PN接面二極管結構賦予了其高色飽和度、高光電轉換效率以及自發(fā)光、低能耗、高亮度的顯示優(yōu)勢。這些特性使得Micro LED成為未來顯示技術的重要發(fā)展方向之一。

6、Micro 顯示原理

Micro LED顯示原理，特別是其像素結構和陣列驅動方式，是這一先進顯示技術的核心。

⑴像素結構

Micro LED顯示采用成熟的多量子阱LED芯片技術。以InGaN基LED芯片為例，其像素單元結構精心設計，從下往上依次為：

①藍寶石襯底層：作為外延生長的基底。

②GaN緩沖層：厚度通常為25nm，用于緩解外延生長過程中的應力。

③N型GaN層：厚度約為3μm，是電子的主要注入層。

④有源層：包含多周期量子阱（MQW），是電子和空穴復合發(fā)光的區(qū)域。

⑤P型GaN接觸層：厚度約為0.25μm，是空穴的主要注入層。

⑥電流擴展層：用于提高電流注入的均勻性。

⑦P型電極：用于與外部電路連接。

當像素單元加正向偏電壓時，P型GaN接觸層的空穴和N型GaN層的電子均向有源層遷移，并在那里發(fā)生電荷復合，復合后的能量以發(fā)光形式釋放。

⑵陣列驅動
Micro LED的像素單元通過特定的制備步驟實現(xiàn)矩陣化和集成化。其陣列驅動方式主要包括三種：

①被動選址驅動（PM）：

▶像素電極做成矩陣型結構。

▶每一列（行）像素的陽（陰）極共用一個列（行）掃描線。

▶通過同時選通特定的行和列掃描線來點亮對應的LED像素。

▶高速逐點（或逐行）掃描各個像素以實現(xiàn)整個屏幕的畫面顯示。

    ②主動選址驅動（AM）：

▶每個Micro LED像素有其對應的獨立驅動電路。

▶驅動電流由驅動晶體管提供。

▶基本的主動矩陣驅動電路為雙晶體管單電容電路，包括選通晶體管、驅動晶體管和存儲電容。

▶為了提高灰階等顯示能力，可以采用更復雜的主動矩陣驅動電路。

③半主動選址驅動：

▶采用單晶體管作為Micro LED像素的驅動電路。

▶可以較好地避免像素之間的串擾現(xiàn)象。

▶每列驅動電流信號需要單獨調制。

▶性能介于主動驅動和被動驅動之間。

Micro LED顯示原理通過其獨特的像素結構和陣列驅動方式實現(xiàn)了高分辨率、高亮度、低功耗和優(yōu)異的色彩表現(xiàn)。這些特性使得Micro LED成為未來顯示技術的重要發(fā)展方向之一。

7、芯片制備
Micro LED芯片的制備是一個復雜且精細的過程，涉及到多個關鍵步驟。以下是對Micro LED芯片制備流程的詳細解析：

⑴襯底制備

①材料選擇：Micro LED芯片通常選用藍寶石（Al₂O₃）、硅（Si）或碳化硅（SiC）等材料作為襯底。藍寶石襯

因其生產技術成熟、器件質量較好且穩(wěn)定性高而被廣泛應用。

②清洗處理：使用有機溶劑和酸液對襯底進行徹底清洗，以去除表面的雜質和污染物。

③圖形化處理：采用干法刻蝕技術，在清洗后的襯底上制備出圖形化藍寶石襯底，為后續(xù)的外延生長提供精確的模板。

⑵中間層制備

外延生長：利用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術進行氣相外延生長。在高溫條件下，依次生長GaN緩沖層、N型GaN層、多層量子阱（MQW）和P型GaN層。這一過程中需要精確控制溫度、壓力、氣體流量等參數(shù)，以確保各層薄膜的質量和性能。

⑶臺階刻蝕

①光刻膠圖形化：在外延片表面涂覆光刻膠，并通過光刻工藝形成圖形化光刻膠掩模。

②ICP刻蝕：利用感應耦合等離子體刻蝕（ICP）工藝，通過圖形化光刻膠掩模對外延片進行刻蝕，直至達到N型GaN層。這一步驟用于定義Micro LED芯片的幾何形狀和尺寸。

⑷導電層制備

①濺射沉積：在樣品表面濺射沉積氧化銦錫（ITO）導電層。ITO具有良好的導電性和透光性，適用于Micro LED芯片的透明電極。

②光刻圖形化：通過光刻工藝對ITO導電層進行圖形化處理，形成所需的電極圖案。

⑸絕緣層制備

①PECVD沉積：利用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）法沉積SiO₂絕緣層。SiO₂具有良好的絕緣性能，用于隔離不同的電極層。

②光刻與濕法刻蝕：對SiO₂絕緣層進行光刻和濕法刻蝕處理，以形成所需的絕緣結構。

⑹ 電極制備

①圖形化光刻膠：采用剝離法等方法制備出圖形化光刻膠掩模。

②電子束蒸發(fā)：在圖形化光刻膠掩模的保護下，通過電子束蒸發(fā)工藝沉積金（Au）等金屬電極材料。

③剝離工藝：利用高壓剝離機等設備對光刻膠進行剝離處理，最終得到圖形化的金屬電極。

⑺注意事項

①整個制備過程需要在超凈間環(huán)境中進行，以避免灰塵和雜質對芯片的影響。

②各工藝步驟需要嚴格控制參數(shù)，以確保芯片的性能和一致性。

③光刻和蝕刻等關鍵工藝需要使用高精度的設備和材料，以保證圖案的精度和質量。

④封裝過程需要注意封裝材料的選擇和封裝工藝的優(yōu)化，以提高芯片的可靠性和光學性能。

⑤測試和篩選過程需要使用專業(yè)的測試設備和方法，以確保芯片的性能符合要求。

通過以上步驟，可以制備出高質量的Micro LED芯片，這些芯片具有微縮化、矩陣化和集成化的特點，廣泛應用于高清顯示、可穿戴設備、虛擬現(xiàn)實等領域。

Micro LED瓶頸——“巨量轉移”技術

Micro LED技術中的“巨量轉移”（Mass Transfer）技術是當前商業(yè)化進程中的一大瓶頸。這一技術涉及將數(shù)以百萬計甚至數(shù)千萬計的微小LED芯片精確且高效地轉移到驅動電路基底上，并實現(xiàn)電路連接，其難度和復雜性極高。

⑴巨量轉移技術的挑戰(zhàn)

①像素數(shù)量巨大：無論是TV還是手機屏幕，像素數(shù)量都非常龐大，且每個像素的尺寸極小，這對轉移效率和成功率提出了極高要求。

②顯示質量要求：顯示產品對像素錯誤的容忍度極低，任何“亮點”或“暗點”都會影響用戶體驗，因此轉移過程必須高度精確。

③技術難度高：巨量轉移技術需要克服傳統(tǒng)轉移技術在轉移效率和精度上的限制，同時保證轉移過程中芯片不受損傷。

⑵巨量轉移技術的流派

根據(jù)原理的不同，巨量轉移技術主要分為以下幾個流派：

①精準抓取技術：

▶原理：利用機械臂或高精度打印頭直接抓取LED芯片并放置到目標基底上。

▶代表廠商：Luxvue、Cooledge、VueReal等。

▶難點：需要高精度的對位系統(tǒng)和快速響應的抓取機構，以克服芯片尺寸小、數(shù)量多帶來的挑戰(zhàn)。

②自組裝技術：

▶原理：利用物理或化學力（如靜電力、磁力、流體力等）使LED芯片自動排列并轉移到目標基底上。

▶代表廠商：SelfArray、eLux等。

▶優(yōu)點：自動化程度高，轉移速度快，適合大規(guī)模生產。

▶難點：需要精確控制自組裝過程中的各種參數(shù)，以確保轉移精度和良率。

③選擇性釋放技術：

▶原理：通過激光或其他能量源直接作用于LED芯片與源基底的交界面，使芯片從源基底上釋放并轉移到目標基底上。

▶代表廠商：Uniqarta、Coherent等。

▶優(yōu)點：轉移效率高，對位精度高。

▶難點：需要精確控制能量源的作用參數(shù)，以避免對芯片造成損傷。

④轉印技術：

▶原理：利用滾輪或其他轉印工具將LED芯片從源基底上轉移到目標基底上。

▶代表廠商：KIMM等。

▶優(yōu)點：適用于大面積轉移，轉移速度快。

▶難點：需要保證轉印過程中的均勻性和一致性，以避免出現(xiàn)錯位或遺漏等問題。

⑶巨量轉移技術的未來趨勢

隨著Micro LED技術的不斷發(fā)展，巨量轉移技術也在不斷進步和完善。未來，巨量轉移技術將更加注重以下幾個方面的提升：

①提高轉移效率和成功率：通過優(yōu)化轉移工藝和設備性能，進一步提高轉移。

②增強轉移精度和穩(wěn)定性：加強對轉移過程中各種參數(shù)的精確控制，確保轉移精度和穩(wěn)定性滿足高端顯示產品的要求。

③推動自動化和智能化發(fā)展：利用機器學習和人工智能等技術手段，推動巨量轉移技術的自動化和智能化發(fā)展，提高生產效率和產品質量。

巨量轉移技術是Micro LED商業(yè)化進程中的關鍵瓶頸之一。隨著技術的不斷進步和完善，相信這一瓶頸將逐漸被打破，推動Micro LED技術在高端顯示領域的廣泛應用和發(fā)展。

三、Micro LED的六大核心難關

Micro LED技術確實面臨著一系列的挑戰(zhàn)，其中六大核心難關尤為突出。包括外延片與晶圓制備、像素組裝、缺陷監(jiān)測、全彩化、光提取與成型等，每一步都充滿了技術挑戰(zhàn)。其產業(yè)鏈同樣廣泛，涉及芯片制造、巨量轉移、面板制造、封裝/模組，以及最終的應用和相關配套產業(yè)。然而，Micro LED芯片的微小化使得傳統(tǒng)制造技術難以適用，各環(huán)節(jié)都需面對全新的技術難題，導致成本高昂，這也限制了Micro LED芯片在當前市場的滲透率。

1、難點一：微縮芯片及外延

①挑戰(zhàn)：需要將芯片尺寸微縮至50um以下，同時滿足高PPI需求。這要求在外延制備、光刻、蝕刻、磊晶剝離、電測等環(huán)節(jié)都實現(xiàn)精細化工藝和良率提升。

②影響：隨著LED芯片尺寸變小，蝕刻過程中的側壁缺陷會影響內部量子效率，導致外部量子效率減弱。

2、難點二：巨量轉移

①挑戰(zhàn)：需要將大量微小的LED晶粒準確且高效地轉移至電路板上。例如，4K顯示需要轉移超過2000萬顆晶粒，這對轉移效率和良率控制提出了極高要求。

②影響：巨量轉移技術的突破是實現(xiàn)Micro LED商業(yè)化落地的關鍵。目前，業(yè)內的主流解決方案包括靜電吸附、相變化轉移、流體裝配、滾軸轉印、磁力吸附、范德華力轉印、激光轉移等。

3、難點三：全彩化

①挑戰(zhàn)：實現(xiàn)全彩顯示是Micro LED的核心技術難點之一。目前，Micro LED在近眼顯示領域尚無法實現(xiàn)全彩的高亮顯示。

②影響：現(xiàn)有的全彩化方案工藝復雜度較高，且存在相應的短板。未來，隨著量子點技術的完善，UV/藍光LED+發(fā)光介質法有望成為全彩化的主流技術。

4、難點四：檢測

①挑戰(zhàn)：在百萬甚至千萬級的芯片中對缺陷晶粒進行檢測、修復或替換是一個巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的測試設備難以使用。

②影響：現(xiàn)有的解決方案包括光致發(fā)光測試和電致發(fā)光測試，但這些方法可能面臨檢測精度和效率的挑戰(zhàn)。

5、難點五：芯片封裝

①挑戰(zhàn)：Micro LED芯片間距小，導致貼片難度增加，成本也會面臨指數(shù)型增長。

②影響：現(xiàn)有的封裝方案以COB和COG為主，但新型封裝技術MIP在成本和效率上更具優(yōu)勢，并有望成為未來的主流技術。

6、難點六：基板制造

①挑戰(zhàn)：Micro LED需要在平整的基板上實現(xiàn)巨量轉移，這對基板材料的選擇和制造工藝提出了更高要求。

②影響：玻璃基板在Micro LED技術中發(fā)展?jié)摿Ω螅驗樗菀讓崿F(xiàn)平整度和精度要求。基板廠商需要為巨量轉移技術做好承接準備。

Micro LED技術面臨著從芯片制造到基板制造的全方位挑戰(zhàn)。這些難關的攻克需要產業(yè)鏈上下游企業(yè)的共同努力和技術創(chuàng)新。隨著技術的不斷進步和突破，相信Micro LED技術將在未來實現(xiàn)更廣泛的應用和商業(yè)化落地。
               

盡管Micro LED技術面臨諸多挑戰(zhàn)，但其獨特的優(yōu)勢和廣闊的應用前景使得業(yè)界對其充滿了期待。隨著技術的不斷進步和成本的降低，Micro LED有望在未來成為顯示領域的新霸主，引領一場顯示技術的革命。

綜上所述，Micro LED技術正處于快速發(fā)展的前沿階段，雖然面臨著重重挑戰(zhàn)，但其巨大的潛力和廣闊的應用前景使得這項技術備受矚目。未來，隨著技術的不斷突破和成本的進一步降低，Micro LED有望成為顯示領域的新一代霸主。