一、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。去年臺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 顯示模塊,成功將 Micro LED 陣列芯片直接轉(zhuǎn)移到 PCB 基板,只是RGB 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 顯示模塊,間距(Pitch)小于 800 μm、分辨率 80 x 80 pixel,新版模塊尺寸為 6 cm x 10 cm,間距約在 700 μm 以下、分辨率 96 x 160 pixel,LED 芯片尺寸則同樣在 100 μm內(nèi)。從前端制程到后端轉(zhuǎn)移,臺工研院電光所智能應(yīng)用微系統(tǒng)組副組長方彥翔博士提到兩大技術(shù)難題,一是紅光芯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 顯示模塊獨缺紅光,間距小于 800 μm、分辨率 80 x 80 pixel
▲ 2019 年新版 Micro LED 顯示模塊成功達成 RGB,間距約 700 μm以下、分辨率 96 x 160 pixel
「以芯片利用率和良率來看,紅光還是問題,」方彥翔以 4 英寸 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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)巨量轉(zhuǎn)移模塊的轉(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 陣列芯片都必須符合前述三項良率標(biāo)準(zhǔn),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(biāo)準(zhǔn),良率不夠穩(wěn)定導(dǎo)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,晶圓芯片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 芯片在制程階段得先跟硅或玻璃等材質(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(dāng)轉(zhuǎn)移模塊向上吸取 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(dāng)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。去年臺工研院便展出過一款 6 cm x 6 cm、間距約 750 μm、分辨率 80 x 80 pixel 的 Micro LED 透明顯示模塊,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 透明顯示模塊,尺寸為 4.8 cm x 4.8 cm,間距約 375 μm、分辨率 120 x 120 pixel,明顯比前一款的顯示效果更為細致。
▲ 2018 年版 Micro LED 透明顯示模塊,間距約 750 μm、分辨率 80 x 80 pixel
▲ 2019 年版 Micro LED 透明顯示模塊,間距約 375 μm、分辨率 120 x 120 pixel
二、聚焦三大應(yīng)用:電競屏幕、AR、透明顯示器
Micro LED 具備高亮度、高效率低功耗、超高分辨率與色彩飽和度、使用壽命較長等特性,在電競屏幕(Gaming Monitor)、擴增實境(AR)、透明顯示器等應(yīng)用領(lǐng)域,要比 OLED、LCD 更能發(fā)揮優(yōu)勢,而這三大應(yīng)用也是臺工研院最為看好也正積極發(fā)展的方向。
以電競屏幕應(yīng)用來看,方彥翔提到目前市場上雖然已有次毫米發(fā)光二極管(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?dāng)可期。
▲ 臺工研院 Mini LED 顯示模塊采用 PCB 基板,模塊尺寸 6 cm x 6 cm、間距小于 800 μm、分辨率 80 x 80 pixel
提到 Micro LED 應(yīng)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(rèn)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(dǎo)(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(dǎo)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(yīng)用可能還需要五年才有機會實現(xiàn),但他認(rèn)為這確實是臺灣地區(qū)可以發(fā)展的 Micro LED 利基市場。
至于臺工研院所開發(fā)的透明顯示器采被動式無 TFT,主要以 3 到 4 英寸模塊拼接形式,聚焦車載和被動式應(yīng)用。提到透明顯示器車載應(yīng)用,方彥翔指出,OLED 透明度雖然可達 60% 到 70%,但分辨率難做高;Micro LED 透明度可達 70% 以上,顯示也相對更清晰。目前臺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(yīng)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(yīng)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,尤其電競屏幕、AR 和透明顯示器等高技術(shù)門檻的利基應(yīng)用,或許可為臺灣地區(qū)發(fā)展 Micro LED 的路上亮起希望。