從紅光晶粒到弱化結構,工研院四方合作 Micro LED 顯示技術再進化

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 26 日 17:24 | 分類 光電科技 , 零組件 follow us in feedly


工研院攜手 LED 驅動 IC 廠聚積科技、PCB 廠欣興電子與半導體廠錼創科技,四方合力研發的次世代顯示技術微發光二極體(Micro LED)又有新進展。繼去年展出全球第一個直接轉移至 PCB 基板的 Micro LED 顯示模組後,時隔一年再公開的合作結晶成功實現了「『R』GB」全彩,但小小一塊板子背後所要解決的技術問題盡是挑戰。

紅光良率不比藍綠,弱化結構更是難題

Micro LED 技術談了好多年,眾所周知這是一門需要顛覆傳統製程、牽涉產業領域甚廣的破壞式創新技術,各個技術環節對領域專家而言都有不易突破的瓶頸。去年工研院與三廠合作開發的被動矩陣式驅動超小間距 Micro LED 顯示模組,成功將 Micro LED 陣列晶粒直接轉移到 PCB 基板,只是「R」GB 全彩獨缺紅光。經過一番努力,今年總算是讓紅光「亮」了相。

有別於先前 6 cm x 6 cm 的 Micro LED 顯示模組,間距(Pitch)小於 800 μm、解析度 80 × 80 pixel,新版模組尺寸為 6 cm × 10 cm,間距約在 700 μm 以下、解析度 96 × 160 pixel,LED 晶粒尺寸則同樣在 100 μm內。從前端製程到後端轉移,工研院電光所智能應用微系統組副組長方彥翔博士提到兩大技術難題,一是紅光晶片利用率與良率不足,二是「弱化結構」。

▲ 2018 年所展出的超小間距 Micro LED 顯示模組獨缺紅光,間距小於 800 μm、解析度 80 × 80 pixel
▲ 2019 年新版 Micro LED 顯示模組成功達成 RGB,間距約 700 μm以下、解析度 96 × 160 pixel

「以晶粒利用率和良率來看,紅光還是問題,」方彥翔以 4 吋 LED 晶圓為例指出,晶圓扣除 2 mm 外徑後,可用區域的良率在單一標準值下或許可達 99%,也就是單看波長(Dominant Wavelength,Wd)、驅動電壓(Forward Voltage,Vf)或反向漏電(流)(Reverse Leakage (Current),Ir);但若三項數值標準都要兼備,整體良率很可能不到 60%,尤其紅光受限於材料與特性,或許連 50% 良率都未必能達到。

光看可用區域的良率並不夠,方彥翔表示,Micro LED 製程下需要針對轉移的面積去定義良率。簡單來說,假設巨量轉移模組的轉移面積是 6 cm × 3 cm,就表示在該矩形區域(block)裡的 Micro LED 陣列晶粒都必須符合前述三項良率標準,不能有壞點才能進行轉移,也就是說整片晶圓裡可能只有某個特定區塊符合所有標準,良率不夠穩定導致能轉移的區域少、整片利用率也大幅下降。以目前產業最頂尖的技術來說,晶圓晶粒要做到超高均勻度都還有很大努力空間。

▲紅光受限於材料與特性,良率比藍光、綠光相對更低

不僅 Micro LED 紅光良率有待改善,具有弱化結構的 Micro LED 更是難求。

弱化結構是巨量轉移成功與否的一大關鍵。方彥翔說明,Micro LED 晶粒在製程階段得先跟矽或玻璃等材質的暫時基板接合,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 結構翻轉、正面朝下,並使 P 型與 N 型電極製作於同一側,對於微縮到微米等級的 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 下方製作中空型的弱化結構,也就是以小於 1 μm 的微米級柱子支撐。當轉移模組向上吸取 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、上下高低差大於 200 μm,稍微施壓不當就可能降低紅光轉移成功率。

至於玻璃基板則因為粗糙度沒有 PCB 板來得大,Micro LED 轉移難度也相對較低。去年工研院便展出過一款 6 cm × 6 cm、間距約 750 μm、解析度 80 × 80 pixel 的 Micro LED 透明顯示模組,所採用的就是超薄玻璃基板,技術上成功實現了 RGB 三色;而今年所製作的新版 Micro LED 透明顯示模組,尺寸為 4.8 cm × 4.8 cm,間距約 375 μm、解析度 120 × 120 pixel,明顯比前一款的顯示效果更為細緻。

▲ 2018 年版 Micro LED 透明顯示模組,間距約 750 μm、解析度 80 × 80 pixel
▲ 2019 年版 Micro LED 透明顯示模組,間距約 375 μm、解析度 120 × 120 pixel

聚焦三大應用:電競螢幕、AR、透明顯示器

Micro LED 具備高亮度、高效率低功耗、超高解析度與色彩飽和度、使用壽命較長等特性,在電競螢幕(Gaming Monitor)、擴增實境(AR)、透明顯示器等應用領域,要比 OLED、LCD 更能發揮優勢,而這三大應用也是工研院最為看好也正積極發展的方向。

以電競螢幕應用來看,方彥翔提到目前市場上雖然已有次毫米發光二極體(Mini LED)技術切入,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。相較於 Mini LED 或同樣為自發光顯示技術的 OLED,Micro LED 對比度更高更純淨、顯色表現也更佳,在最關鍵的刷新率表現上也優於 OLED,而且無烙印或衰退問題,未來在高端消費市場的發展潛力相當可期。

▲ 工研院 Mini LED 顯示模組採用 PCB 基板,模組尺寸 6 cm × 6 cm、間距小於 800 μm、解析度 80 × 80 pixel

提到 Micro LED 應用於 AR 的發展機會,方彥翔已不只一次表達過正面看法。他認為 Micro LED 有機會在 AR 領域發展為顯示光源主流技術,但就技術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整外,若以單色 Micro LED 結合量子點(QD)色轉換材料的方式,也還有其他問題存在。

而且,AR 成像目前遇到的問題為系統光波導(Optical Waveguide)吸收率極高,因此若要在系統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 現在還很難做到,連技術成熟的 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 若以傳統製程進行製作,效率將大幅下降,在一定功耗要求下,光要達到 10 萬 nits 就已經非常困難。

「所以 LED 小於 10 μm 以後,亮度就是另一個世界,」方彥翔說,「要提升 LED 在 AR 上的效率,就必須從半導體的結構和製程去改變,要有突破才有辦法達到」。儘管 AR 應用可能還需要五年才有機會實現,但他認為這確實是台灣可以發展的 Micro LED 利基市場。

至於工研院所開發的透明顯示器採被動式無 TFT,主要以 3 到 4 吋模組拼接形式,聚焦車載和被動式應用。提到透明顯示器車載應用,方彥翔指出,OLED 透明度雖然可達 60% 到 70%,但解析度難做高;Micro LED 透明度可達 70% 以上,顯示也相對更清晰。目前工研院正與廠商進行產品試做,也會持續發展有關應用。

方彥翔直言,Micro LED 就技術開發來說還需要一段時間,若朝 OLED 和 LCD 現有市場發展替代應用已經太晚,也不一定會有競爭優勢,加上良率有限、成本難降,要跟技術成熟的 LCD 和 OLED 競爭並不容易。但他相信,OLED 或 LCD 達不到的技術就是 Micro LED 的機會,尤其電競螢幕、AR 和透明顯示器等高技術門檻的利基應用,或許可為台灣發展 Micro LED 的路上亮起希望。

(首圖、圖片來源:《科技新報》攝)

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