乱花渐欲迷人眼 浅谈Micro LED

乱花渐欲迷人眼

浅谈Micro LED

文/图  张明芮

//F23-HB1-1.TIF    题图

//前言

技术从来都是长江后浪拍死前浪。尽管LCD显示技术已经非常成熟，但是厂商都在拼命研发新技术取代LCD。各种LED技术乱花迷眼，但是OLED至今“扶不上墙”，QLED难产，大家已经纷纷把研究重点转移到了Micro LED。作为LED家族的一员，Micro LED的优势和劣势都很突出，能不能达到业界的期望，还需拭目以待。

风云突变（二级标题）

2016年4月，台湾固态照明国际研讨会（TSSL 2016）在台北南港展览馆会议室展开。这次研讨会专门留了一个舞台，展示一种名为Micro LED的固态照明技术。这并非全新的技术，一直以来受到的关注不多，业界的目光更多聚焦在OLED上。但现在一些大厂已经悄悄转移了研发重点，所以Micro LED也有必要到闪光灯下露露脸了。

//Tips：固态照明和显示

传统液晶具有液体的流动性，LED的发光材料则完全是固态，因此该领域被称为固态照明。如果把单个的LED视为屏幕上的一个像素点，那么它就有了显示的属性。本文提到的各种LED，都是基于显示而不是照明属性来说明。

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Micro LED和OLED同属固态照明的LED家族。现在OLED已深深渗透到我们生活中，从全球大卖的三星Galaxy、Note系列产品，到各种穿戴设备，都已经配备了OLED显示屏，连苹果也宣称今后将采用AMOLED屏幕。只是，被寄予厚望的OLED并没有实现取代LCD的豪言，你根本买不到OLED的电视或者显示器，可谓“扶不上墙”，原因就是OLED采用有机发光材料。既然是有机材料，寿命和稳定性就是个问题，稳定性不佳也就无法大尺寸量产。索尼、三星、LG等厂商已经研究了很多年依然只能仰望苍天。

今年以来，索尼和三星相继宣布放弃OLED电视，让LG陷入了孤立状态。放弃的原因，除了瓶颈无法解决外，还出于商业目的考虑。因为目前OLED的整体技术只掌握在LG手中，一旦大规模用于电视机生产，将容易颠覆索尼和三星在电视机中的地位。两大研发主力易帜，也让OLED极有可能步等离子的后尘。当年松下垄断了等离子显示技术，逼得其他厂商只好使用显示效果更逊一筹的LCD面板生产电视。走的人多了，就踩出了路；用LCD面板的厂商多了，LCD就占领了市场，最终等离子电视不得不黯然退场。

既然放弃，就得另寻出路。MC的老读者也许还记得，我们以前介绍过QLED量子点显示技术，是号称有望取代OLED的、各大厂商新的奋斗目标。但目前QLED还待在实验室里出不来的时候，量子点技术巨头公司QD Vision却曝出大股东撤资的消息，同时该公司团队高层已宣布解散核心团队，诸多项目均已暂停，业界也传闻QD Vision在台湾的生产线已停工待售，可谓命运多艰。虽然QD Vision关门并不意味着QLED终结，但这样一家上游企业的倒闭，给行业带来的影响只会是负面的。

当然，各路厂商绝不会只将鸡蛋放在一个篮子里。索尼、三星、夏普等早就开始进入Micro LED领域。索尼在CES2012展会上展示过一台55英寸全高清Crystal LED电视。 4年之后，索尼宣布将Crystal LED技术商业化。所谓Crystal LED本质上还是Micro LED。

至于苹果，早就收购了一家名为LuxVue Technology的微型公司。LuxVue非常低调，外界所能了解的就是这家公司为消费电子产品开发低能耗的Micro LED显示屏。苹果收购该公司，自然也就得到了它的21项和LED显示技术相关的专利。

除此之外，台湾工研院、友达、群创、晶电，以及很多从国际知名理工学院如美国德州理工大学、伊利诺大学等，也都积极研究Micro LED。固态照明领域的风向，已经很明显了。

关于衬底（二级标题）

首先纠正一个容易混淆的概念。不论是在卖场，或是电商渠道，我们都见过了太多所谓的“LED显示器”，导致不少消费者认为LCD是不是已经淘汰了。实际上，所谓的LED显示器，其实应该叫LED背光显示器，用LED取代了早年的CCFL作为背光源，但前面的面板仍然是LCD。

//F23-HB1-2.TIF    LCD背后的LED背光阵列。有时候所谓的“漏光”，也就是边框做工不好，露出了背光。

以自发光的LED作为像素来显示图像，全世界的工程师们老早就想到了。大型场所的户外显示屏就是以LED作为像素点，每个LED能够定址、单独驱动发光。如果把户外显示屏缩小，小到你能放在桌子上或者揣兜里，那就是Micro LED Display了。相比OLED，Mirco LED采用无机材料，其色彩更容易调试，材料稳定性也更好。Micro LED还继承了LED在固态照明方面的诸多优点，包括低功耗、高亮度与色彩饱和度、反应速度快、寿命较长等。其功耗约为LCD的10%、OLED的50%。理论分辨率可达1500ppi，远超Retina级别。

//F23-HB1-3.TIF    户外LED大屏幕单元，像素点距非常感人，因此只可远观不可近看。

提到LED，就不得不说说衬底。在LED生产过程中，外延片是最重要的原材料，它是在加热到适当温度的衬底基片上，通过MOCVD（金属有机化合物化学气相沉淀）技术在衬底表面沉淀，或者说“生长”出特定单晶薄膜晶片（目前多为氮化镓），之后在外延片上制作N型和P型电极，再通过切割、封装，才能成为一颗LED灯珠。

//F23-HB1-4.TIF   MOCVD需要用这么庞大的机器上才能办到

衬底是外延层的基板，在生产和制作过程中起到支撑和固定的作用。衬底材质的选择决定了LED的特性。目前的衬底材料主要有蓝宝石、碳化硅以及单晶硅。绝大多数的芯片制造商都采用蓝宝石衬底，因为稳定性好、生产技术成熟、机械强度高，易于处理和清洗。但蓝宝石作大尺寸外延片时难度和成本都会大大提升。另外蓝宝石是绝缘体，无法制作垂直结构的器件，也就只能在外延层表面制作N型和P型电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了制作成本。

硅衬底的芯片电极可采用水平接触的L电极和垂直接触的V电极，这样一来，LED芯片内部的电流可以横向流动也可以纵向流动。纵向流动增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。同时，由于硅是热的良导体，所以LED的导热性能可以明显改善。问题就在于这种衬底材料实在很贵，但和蓝宝石相比，尺寸越大，成本反而越低，前提是能提高良品率。但硅材料最大的缺陷就是晶格和热应力失配。晶格失配会导致氮化镓材料中出现较高的位错密度；热应力失配是因为衬底和晶片的膨胀系数不一样，温度变化期间会产生龟裂。目前有的解决方案是采用多种缓冲层来缓解热应力，以及多种复杂的位错过滤层来降低位错密度。当然，成本仍然是个问题。

碳化硅具有优良的热学、力学、化学和电学性质，是非常重要的半导体材料，导热性能比蓝宝石高出10倍以上，有利于制作大功率LED。碳化硅衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，提高了出光效率。碳化硅的问题同样在于成本太高，目前非常小众。

//F23-HB1-5.TIF    典型的LED结构

//F23-HB1-5-1.TIF   Micro LED发光原理

//F23-HB1-5-2.TIF  Micro LED对比OLED

难啃之骨（二级标题）

制造Mirco LED需要将LED进行薄膜化、微小化与阵列化，使其体积只有主流 LED 大小的1%，将像素点的距离由原本的毫米级降到微米级。驱动方面，可以采用与大型LED屏幕相同的AM有源选址驱动。AM驱动的优势在于：

1.可实现更高分辨率和更大面积的驱动。

2.防止多个LED共享驱动电流时，因为点亮的个数不同导致施加到每个LED上的驱动电流不一样，而导致亮度和对比度失调。

3.高分辨率环境下，必须尽可能减小电极尺寸，如果是PM驱动，大量的功率将损耗在行和列的扫描线上。AM驱动能够实现低功耗高效率。并且通过晶体管开关控制LED，能够防止周围的LED受电流脉冲影响而降低显示质量。

//Tips：LED阵列驱动方式

LED大屏幕一般为无源选址驱动（PM：Passive Matrix）和有源选址驱动（AM：Active Matrix）。

PM驱动模式下，把阵列中每一列的LED像素的正极连接到列扫描线（Data Current Source），同时把每一行的LED像素的负极连接到行扫描线（Scan Line）。当第Y列扫描线和第X行扫描线被选通的时候，其交叉点（X，Y）的LED像素即会被点亮。整个屏幕以这种方式进行高速逐点扫描，即可实现显示画面。这种扫描方式结构简单，较为容易实现。不足之处是连线庞杂（需要X+Y根连线），寄生电阻电容大导致效率低，像素发光时间短，从而导致有效亮度低，像素之间容易串扰，并且对扫描信号的频率需求较高。

AM驱动电路中，每个LED像素有其对应的独立驱动电路。最基本的驱动电路使用两个晶体管和一个电容来控制输出电流（2T1C），其中T1作为选通晶体管控制像素电路的开或关；T2作为驱动晶体管，与电压源联通并在一帧的时间内为LED提供稳定的电流。电容C用于储存数据信号，当该像素单元的扫描信号脉冲结束后，电容仍能保持T2栅极的电压，从而继续为LED提供驱动电流，直到这一帧结束。

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//F23-HB1-6.TIF    无源选址驱动和有源选址驱动的对比示意，可以看出有源选址驱动方式实际上让电路更简单。

如果像制造IC芯片那样，在单晶硅衬底上蚀刻出驱动电路，然后通过MOCVD“生长”出LED晶片阵列，就制成了Micro LED，但实际上困难重重。要制造多大的屏幕，就需要用多大的衬底，成本超乎想象。我们常见的各种IC和CMOS传感器，就是通过单晶硅蚀刻电路而成。一部全画幅数码单反相机，CMOS传感器还不到半张银行卡大，但几乎占整机一半的成本。

将蓝宝石或单晶硅衬底直接作为屏幕的基板行不通，那么可以考虑将衬底上的LED晶片转运到已制好驱动电路的玻璃基板上，这就是纳米级的LED晶片转运技术。但怎么在玻璃基板上固定LED晶片也是个问题，目前只在LuxVue的专利名单上有一套从蓝宝石衬底将LED晶片转运到硅衬底上的工艺。这意味着制造一块屏幕需要两套衬底和互相独立的工艺，并产生了另一个重大问题：要保证每次得到的晶片的光电特性一致。单色Micro LED阵列通过倒装结构封装和驱动IC贴合就可以实现，但RGB阵列需要分次转贴红、蓝、绿三色的晶粒。一块全高清屏幕就需要嵌入600多万颗LED晶粒，对晶粒的光效、波长的一致性、良品率要求更高。OLED至今无法做大做强，也是因为光电性能一致性和良品率无法解决。即使解决了玻璃衬底的难题，相比AMOLED物美价廉的LTPS+OLED方案，Micro LED也没有优势。

既然提到了光电特性的一致性，那么要想量产Micro LED，还需解决分bin的成本问题。所谓分bin，就是根据电压、亮度、色度的不同，将LED进行测试和分选，每一类就叫一个bin。LED作为指示灯时，对于其波长的分选和亮度的控制要求并不高。但作为屏幕元件时，由于人眼对于颜色波长和亮度的敏感性，没有分bin的LED就会出现颜色和光亮度不均匀的问题，影响视觉效果。分bin是LED供应商的一项必要的工序，是LED成本的一个大头，也是许多LED制造商出现产能瓶颈的原因。

成长之路（二级标题）

OLED大尺寸化举步维艰，Micro LED则是在小型化上寸步难行。但这并不妨碍Micro LED成为当前业界的研发热点。实际上，Micro LED单色阵列已经实现了极高的dpi。2011年，美国德州理工大学的团队发布了9.6×7.2mm面积的绿光主动定址Micro LED阵列，像素间距15μm，达到了VGA解析度。

Micro LED的难点还是在于彩色阵列。索尼在CES2012展出的Crystal LED Display原型机，上面有1920×1080个LED发光二极管，每个LED又由R、G、B三个LED子像素点阵构成，它们之间的间距为210μm。Crystal LED Display有大约600万个LED驱动，大概这是索尼不惜血本搞出来的，所以之后再无音讯。直到4年后，索尼才宣布将Crystal LED技术商业化，推出了使用该技术的显示单元ZRD-1。ZRD-1是一块403×453mm拼装型的RGB三色LED显示单元，分辨率320×360像素，精度为20ppi。是的你没看错，20ppi，和LCD相比简直惨不忍睹，但已经远高于现在你能看到的各种LED大屏幕。而且，ZRD-1只面向研究机构、医疗、博物馆、控制室、工业设计、建筑设计等需要逼真图像的专业和商业化领域，也就是说Crystal LED距离民用还在非常遥远。

//F23-HB1-7.TIF    55英寸的Crystal LED Display原型机。不论是黑场还是色彩饱和度，都更胜LCD电视一筹。

//F23-HB1-8.jpg    ZRD-1显示单元，能够无缝拼接成各种分辨率的大屏幕。从它复杂的构造，庞大的身躯，我们完全可以感受到它有多昂贵……所以也只适合商用场合。

法国原子能总署（CEA）旗下的电子信息技术研究所（LETI）推出了iLED matrix，其蓝光亮度达107Cd/m²，绿光亮度达108Cd/m²，像素点距只有10μm，未来的目标是做到1μm。LETI计划从智能照明领域入手，两三年内进入HUD和HMD市场，在10年内切入大尺寸显示应用。

//F23-HB1-9.TIF    LETI的研究成果

台湾錼创科技公司公布了以氮化镓为基础的Pixe LED TMdisplay，采用了LED转运技术，据称良品率达到99%。

对比之下，其实LuxVue并没有很核心的突破以及什么压倒性优势。苹果收购这个公司，业界猜测也是为了在显示领域开辟出一条有别于TFT-LCD技术的路。要知道，iPhone等产品至今还在用LCD，苹果也受够了面板供应商的气。假如能在Micro LED方面有所突破，那可是大权独揽、扬眉吐气的美事。

隔岸观火（二级标题）

Micro LED成了红人，但这并不意味着其他LED的研发就停止了。实际上，Micro LED仍面临很多对手，除了QLED外，磷光OLED（Phosphorescent OLED，PHOLED）也是其中之一。美国UDC公司的红绿PHOLED材料已经在三星Galaxy S4及后继机型的面板上使用，这种面板功耗已经和高PPI的TFT-LCD持平甚至略有优势。一旦蓝光PHOLED材料的寿命问题得到解决并商用，Micro LED将占不到什么便宜。此外，Micro LED很难做成卷曲和柔性显示。如果要用到iWatch之类的产品上，屏幕没有一定的曲率是很难被群众接受的。

当然，作为消费者，我们无需为了技术的竞争而揪心。现今早就不是“市场需要什么我们就造什么”，而是“我们要造点什么来改变市场”，正如iPhone诞生之前没人会觉得自己需要触摸控制的手机。技术的发展已经是乱花渐欲迷人眼，很多时候引导着消费者的需求。所以不论Micro LED、OLED还是QLED，我们只需抱定一种隔岸观火的态度，因为最终总会有一种LED，能到我们碗里来。