硬核!Micro LED技術又獲突破,商用進程加快

Micro-LED是對現有LCD、OLED和傳統的小間距LED等顯示技術的升級和補充，被視為顯示技術的後起之秀，已經成為國內外顯示廠商和下遊終端廠商加緊搶灘的「技術高地」。

業內普遍認為，隨著產品成本的持續降低，Micro LED產品的市場空間將會真正打開，進而實現銷量的大幅提升。而Micro LED 的成本大多落在巨量轉移及修復兩大項目上，目前Micro LED都取得了哪些技術突破、有怎樣的量產進展?

首款GaN-Micro LED原生紅光外延片面世

傳統的紅光LED主要基於磷化鋁銦鎵(AlInGaP)材料。這意味著由於載流子擴散長度大和表面重組速度高，隨著器件尺寸的減小，它們的效率會急劇下降。

近日，劍橋大學的分立公司Porotech指出，其創新的生產工藝可以生產出新型的多孔GaN半導體材料。該公司推出用於MicroLED應用的商業化天然紅氮化銦鎵(InGaN)LED外延片。

Porotech執行長兼聯合創始人朱同彤博士說：「採用GaN基材料技術的Micro LED顯示器被廣泛認為是唯一一種能夠提供足以滿足AR要求的亮度和效率的顯示器的技術。」「AR眼鏡有望有一天取代智慧型手機，因此開發先進材料以提高性能至關重要。

「在具有微米級像素的模塊中集成AlInGaP紅光和銦InGaN綠光和藍光LED顯示器極具挑戰性，因為AlInGaP器件中的高表面重組速度使該材料不適用於高效的MicroLED。我們的突破擴展了InGaN的發射範圍，使得紅光LED可以滿足顯示器的性能需求，同時具有縮放Micro LED半導體顯示技術所需的晶圓尺寸的能力。」

Porotech表示其產品符合現有的行業標準和流程，其專有技術既強大又靈活，足以適應不同應用的需求。Porotech的原生InGaN Micro LED在10A/cm2處具有640nm的波長，在非常小的像素和間距下，與常規的AlInGaP和顏色轉換所得的紅光相比，性能得到了改善。

今年早些時候，Porotech獲得了由劍橋大學(Cambridge Enterprise)，劍橋大學的商業化部門和IQ Capital Partners共同領導的150萬英鎊的種子輪投資，另外Martlet Capital以及來自Cambridge Angels和Cambridge Capital Group的天使投資者集團也參與其中。

江風益院士團隊大幅提升橙-紅光LED發光性能

InGaN薄膜因其寬帶隙可調的優點，在可見光領域內擁有廣闊的應用前景，用於micro-LED全彩顯示是其中最有潛力的應用之一，未來的智慧型手機、手錶、虛擬實境眼鏡等小尺寸顯示屏都將受益於micro-LED技術。

目前micro-LED技術正面臨兩大挑戰，首先是大家熟知的實現巨量轉移技術非常困難，另一個就是缺乏高效可靠的紅光micro-LED晶片。目前的紅光LED是由AlGaInP材料製成，在正常晶片尺寸下，其效率高達60%以上。然而，當晶片尺寸縮小到微米量級時，其效率會急劇降低到1%以下。此外，AlGaInP材料較差的力學性能給巨量轉移增加了新的困難，因為巨量轉移要求材料具有良好的機械強度，以避免在晶片抓取和放置過程中出現開裂。

InGaN材料在具有較好機械穩定性和較短空穴擴散長度的同時，又與InGaN基綠光、藍光micro-LED兼容，是紅光micro-LED的較佳選擇。然而，InGaN基紅光量子阱存在嚴重的銦偏析問題，這將導致紅光量子阱中的非輻射複合增加，從而引起效率降低。在過去20年的研究中，InGaN基紅光LED功率轉換效率不足2.5%。銦偏析問題嚴重阻礙了InGaN基紅光LED的發展。因此，如何解決銦偏析問題是獲得高效InGaN基紅光LED的關鍵。

近日，南昌大學的江風益院士課題組在Photonics Research 2020年第8卷第11期上展示了他們最新研製的高光效InGaN基橙-紅光LED結果。

(a) 高光效橙光LED外延材料結構示意圖 (b) 其斷面TEM測試結果

此項工作基於矽襯底氮化鎵技術，引入了銦鎵氮紅光量子阱與黃光量子阱交替生長方法，並結合V形坑技術，從而大幅緩解了紅光量子阱中高In組分偏析問題。再依據V形p-n結和量子阱帶隙工程大幅提升了紅光量子阱中的輻射複合速率。

使用該技術成功製備了一系列高效的InGaN基橙-紅光LED。當發光波長分別為594、608和621 nm時，其功率轉換效率分別為30.1% 、24.0%以及 16.8%，光效相較於以往報導的相同波段InGaN基LED結果整體提高了約十倍。

研究人員認為，該項技術在未來還有較大的進步空間，同時該團隊的實驗結果也證明了InGaN材料在製作顯示應用的紅光像素晶片上將有巨大潛力和美好前景。

彈性印模，讓低成本量產Micro LED成為可能

11月20日—21日，2020世界顯示產業大會在安徽省合肥市召開。大會由工業和信息化部、安徽省人民政府共同主辦。美國國家科學院、國家工程院和藝術與科學院院士約翰·羅傑斯通過視頻發表開幕演講。羅傑斯表示，Micro-LED在亮度、像素密度、對比度、視角、刷新率等關鍵指標上具有顯著優勢，但在成熟度和成本方面短板猶存。破局的關鍵，是如何將數量巨大的LED精確轉移到目標基板上。為此，羅傑斯團隊提出了基於「彈性印模」的微轉印技術。

基於「彈性印模」的微轉印技術，就是一種應對LED批量轉移，且兼顧產量和良率的策略。羅傑斯表示，LED可以產生極高的性能，Micro-LED製備的微型顯示器能適應任何類型的應用，問題是如何把LED從源晶圓轉移到目標基板上，以實用的方式製造Micro-LED，並確保產量和良率。

「我們使用的方法涉及一種『彈性印模』。作為大規模平行取放工具，它可以把已切割和蝕刻的微型LED從源晶圓上取下，並批量移動。之後用標準圖像方法和物理氣相沉積技術來實現互連布線。」羅傑斯說。

這個過程是將對應紅、綠、藍色Micro-LED的發射器分別放在不同晶圓上，並採用LED的標準代工技術來製造。具體來說，用底切孵化技術把LED從源晶圓取下，讓LED在圖形化定義的位置與下層晶圓相連接。這樣印模可以接觸到已加工的晶圓，把LED從源晶圓平行移動到目標基板上，然後基於邊緣金屬化技術布線，實現LED陣列的互連。

「在Micro-LED顯示器的生產問題上，這種印模或者說轉印過程將是至關重要的，它具備低成本批量生產Micro-LED的所有特性。」羅傑斯說。

顯示技術的進步永無止境，「像素引擎包」是羅傑斯團隊開發的最新概念。所謂引擎包，是指由一對紅色、一對綠色和一對藍色的Micro-LED集成於微米級IC所構成的，可以轉印和操作的集成模塊。引擎包可以在晶圓上進行組裝和連接，顯示器晶圓廠通過印刷，即可將這些功能元件排布到顯示區的每個晶胞裡，之後僅剩的步驟就是布線。

「我們對LED進行印刷，然後把LED和微米級IC集成在一起，最終得到微小而密集的像素引擎組合。我們可以使用這種印刷方案排布像素引擎組合。」羅傑斯說。

基於像素引擎的互連矩陣，能夠進一步簡化排布工序，實現系統中的備份，並消除缺陷，為Micro-LED的產業化再添助力。

MOCVD設備+氮化矽納米線技術，生產高解析度微顯

美國紐約州Plainview市的外延沉積和工藝設備製造商Veeco Instruments Inc.近日表示，其Propel 300 HVM金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)系統已被法國格勒諾布爾的Aledia(3D開發和製造商)選用。結合其專有的氮化矽納米線技術，Aledia可以基於上述MOCVD系統生產高解析度的Micro-LED顯示面板。另據Aledia稱，Propel系統具有設備半兼容的前端模塊(EFEM)和盒對盒(cassette-to-cassette)自動控制功能，與其他競爭系統相比，其生產效率最高，缺陷率最低，這也是它被選中的原因。

根據外媒semiconductor-today報導，「亮度，對比度，響應時間和功率效率等參數對智能手錶，行動裝置，AR / VR(增強現實/虛擬實境)應用和大型電視用顯示面板非常重要，這些參數正在推動市場對Micro-LED解決方案需求的增加，」Aledia營運長Francis指出，「作為我們記錄工藝過程的工具，我們相信Veeco的Propel 300 HVM平臺具有獨特的優勢，它可以在實現目前世界最大產量的同時提供出色的過程管控功能，再者，他們支持產品創新的履歷也是我們選擇其產品的理由。」

由於具有更高的解析度，亮度和可靠性，Micro-LED正在成為下一代顯示技術。市場研究公司TrendForce預計，Micro-LED晶圓的產量將從2021年的74,000個晶片增加到2024年的500萬個以上。

Veeco首席營銷官Scott Kroeger表示：「我們很高興再次被先進顯示技術的真正先驅Aledia選中，進而可以提供業界首款300mm MOCVD工具來支持其micro-LED顯示面板的生產。」

「Veeco一直都致力於將化合物半導體的專業知識與半導體規模製造相結合，這一點在具有EFEM功能的300mm晶圓系統平臺上得到了充分的體現，」他補充說，「與Aledia等領先公司的緊密合作，進而在生產規模上提供更好的解決方案，這一點已經嵌入了我們的DNA中。」

Veeco表示，其單晶圓Propel 300 HVM GaN MOCVD系統是一種為GaN基高級顯示器、功率電源、RF和光子學設備設計的，大批量生產的單晶圓反應器集群系統。該系統具有單晶圓反應器平臺，它能夠在300mm晶圓基礎上提供高質量的外延膜性能，這一點可以幫助製造商獲得最佳的均勻性，可重複性和良率。另外，Propel 300 HVM還可配置模塊化群集室(Cluster Chambers)，以實現最大的生產率和靈活性。

利亞德Micro LED顯示產品投入量產

近日，利亞德在投資者互動平臺表示，Saphlux的半極性氮化鎵已實現量產，是目前市面上唯一一家可以量產高質量4寸半極性圓片的公司。目前，Saphlux在半極性襯底市場佔有率在90%以上，未來，半極性襯底將有望在穩定綠光晶片波長及高效綠光半導體雷射器中發揮重要作用，為公司顯示領域提供技術保障。

其實，利亞德於2017年入股了生產半極性氮化鎵晶圓的LED晶片材料公司Saphlux，並與Saphlux成立了聯合實驗室，利用其半極性氮化鎵材料來解決Mini/Micro LED晶圓的波長一致性和峰移問題。雙方已共同合作推進了NPQD Micro LED顯示屏的開發。

今年11月18日，利亞德披露投資者調研相關信息稱，其與臺灣晶元光電合資設立利晶微電子——全球首家Micro LED顯示量產基地已於10月29日正式投產並舉辦儀式。

據悉，目前利晶投產及產能規化處在第一階段。第一期投放期為2020-2022年，預計2022年達產後產能將達到自發光模組1600kk/月，背光模組20000套/月。

利亞德旗下全資品牌PLANAR擁有Micro LED電視和AI智能電視等產品。其中，Micro LED電視涵蓋110英寸、135英寸和216英寸等多款機型，有4K和8K可選。今年為全面搶進國內消費電視市場，PLANAR又推出了98英寸4K、86英寸、75英寸等全尺寸系列LED電視。截至第二季，PLANAR的超大尺寸電視已全面開售，到了第三季，消費電視開始貢獻營收，PLANAR品牌影響力進一步擴大。

同時，利亞德就Micro LED訂單表示，其於7月15號全球發布40英寸2k(P0.4)、54英寸2k(P0.6)、67英寸2k(P0.7)、81英寸2k(P0.9)四款量產Micro LED商用顯示產品，其中40英寸2k(P0.4)為全球LED最小間距顯示產品。發布以來已陸續形成訂單並交由利晶進行生產。從利晶目前產能來看，訂單比較飽和，計劃將於明年上半年進行擴產。

下遊客戶方面，利亞德指出，已經披露的商顯產品的大單將在今年年底前交貨，而mini背光在客戶接洽和樣品確認中，預計明年中期將開始起量。此外，Micro良率及巨量轉移方面，目前是1000-1500顆/秒，良率達98.9%。其還強調，玻璃基板目前還不能實現量產。

數據顯示，在今年的第三季度，利亞德的Micro LED顯示產品實現收入901.08萬元，環比增長151%。不僅如此，在增量收入等因素的推動下，利亞德三季度現金流出現明顯增長。而進入第四季度，利亞德Micro LED正在為資本市場帶來更多的想像空間。

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