直播回顾 | 【图文实录】Micro LED产业化的难点和思考

【嘉宾】柯志杰 乾照光电未来显示研究院院长

【主题】Micro-LED主题报告（二）Micro LED产业化的难点和思考

【时间】3月26日（周四）14：00-15：00

【地点】CASA千聊平台

▌以下为整理的分享内容（略有删减）。

各位网友，大家下午好！我是乾照光电的柯志杰。首先，感谢第三代半导体产业技术创新战略联盟的组织和邀请，能给我这个机会和大家聊一聊Micro-LED。同时也感谢各位网友的参与。

昨天龚政老师和大家分享了很多技术上的进展和应用，听完以后，受益匪浅。他们做了很过前沿上的技术术工作。我是产业出身，所以今天我将从企业的角度分享Micro-LED产业化方面的问题和思考。

我的分享分为以上三大部分，第一部分是Micro LED概论，第二部分是Micro-LED产业化技术探讨，第三部分是Micro LED的成果及展望。

首先，我们先回顾一下整个显示技术的发展史。大家可以看到左下角，上个世纪显示器的霸主，CRT显示器。很多零零后的新生代不一定知道这样一个老古董。因为它的体积比较庞大，后来就演进出了第二代显示技术。第二代显示技术的代表是PDP显示器和LCD液晶显示器。这两个显示器支撑起了当时的第二代显示技术，可以称为一时瑜亮。我想多花些时间介绍他们。这段历史给了我留下了很深的印象，这是技术发展和产业演进的经典案例。他完美的诠释了一代显示技术发展的动因和过程，充分的展现了产品和产业的发展如何推动技术进展。这对当下探索Micro-LED的应用有着很切实的示范意义。

其实最初LCD并没有像现在这样有明显的技术优势。最初在对比度、响应速度会影像拖尾，包括可视角度等重要的显示效果方面，都落于下方。PDP反而表现的好一些。而且LCD当时用的是不环保的CCFL的背光源。当时的选择并没有像现在这样的一边倒，尤其当时最主要的消费品是电视。LCD最突出的一个技术优势就是轻薄，但是一般家用的电视对显示器的体积和轻薄性的没有太多的要求，更主要的是关注显示效果。这两种技术PK了很长的时间，各自演进，最后谁都没办法取得压倒性的胜利。这种局面一直持续到2000年左右才有改变。因为2000年左右，互联网技术得到了爆发式的发展，带到了笔记本电脑的发展。笔记本最需求的并不是各种显示效果，恰恰是轻薄，便携，所以LCD的技术应用在笔记本电脑是当仁不让的选择。当时一台笔记本电脑价格动辄上万，完全有能力承载当时LCD的高昂成本价格。同时，互联网时代的爆发又大大带动了笔记本电脑的需求量快速增长。新技术遇到了对它有必然需求的消费级产品大量爆发。随着产业规模的兴起，LCD的成本迅速下降，使得它可以占领更多的消费市场。反过来，市场需求的增加导致规模的扩大，进而导致了LCD成本的下降，再去争夺更多的市场，这就形成了一个完美的产业循环。所以这是一个经典的新技术发展的案例，也就是互联网便携式电子产品发展带动显示技术的演进。

后来，随着LED光效的提升，出现了LED背光的LCD。LCD技术变得越来越轻薄。LED给它带来了很重要的一个特性就是节能环保，它顺利的搭上了2008年家电下乡的补贴政策顺风车，各大电视品牌纷纷涌现。再后来智能手机消费品的爆发，将LCD技术彻底推上了高峰，才有了LCD成为显示技术领域绝对主宰的局面。当然，现在有新型技术OLED出现，LCD技术才有了危机感。

在这里想提醒大家，随着LED，尤其是氮化镓LED商业化的迅速成熟，显示领域里的光源，就多了一个比较“潮”的选择。包括三基色的LED显示屏，它就是以LCD为像素点的显示技术，还有刚才提到的LED背光的液晶都是在这一时期出现的。随着LED技术的成熟，出现了尺寸更小的Mini-LED，它同样可以作为背光源，也可以作为显示像素点来实现更好的显示效果，这些就是现在风头正盛的Mini-LED技术。

关于下一代显示技术，目前比较热门的还是Micro LED、OLED，当然也包括QLED。我是做LED，所以当然只能站队Micro LED。而且Micro LED在各种技术指标中完胜其他显示技术。不过从商业化的成熟度和成本角度来说，Micro LED现在的劣势也是十分明显的。所以我一直觉得现在的Micro LED就像是二十年、甚至三十年前的LCD，到底谁才是Micro LED的“玉露”， “金风玉露在哪里相逢”，是产业界密切关注，并且苦苦追寻的答案。如果可以找到这个答案，Micro LED就可以迎来一个更加确定的发展轨迹。

我们再聚焦回LED，看一下LED显示技术的发展过程。显示技术一个很重要指标，就是像素的P值。这个数值是和人眼的距离密切相关的，一定的P值会对应一定适合的观看距离区间。在户外，观看距离比较远，需求亮度比较高，一般会选用大P值，也比较会选用相对的大功率LED。

在室内，比如在15-20米的大厅，可能会选用P2.0-P4.0的产品，就能够很舒服的观看。目前很热门的小间距显示，一般在P1.0-P1.5（这个数值不是很准确），这是目前小间距显示屏主要覆盖范围，也是比较成熟的商业化产品。从这个点间距开始，Mini LED进入了大家的视野，如果我再把显示的Pitch值往下走，大概是在0.4，甚至小于0.4的区间，则观看的距离在2-3米。这种就是传统的液晶电视能够覆盖的产品区间。基于产品成本的考虑，从液晶往上到小间距往下区间，才应该是比较适合Mini LED发展的产品区间。因为在它价格、成熟度方面很难与液晶PK。

Pitch值大概在0.6-0.9区间，也就是100多寸显示墙，比较适合Mini LED直接显示应用。背光方面，Mini LED可以和液晶显示整合在一起。目前在展示更小间距的显示模组，我们觉得，这个不是很合适的产品，受成本制约非常严重，技术探索和积累意义大于实际产品意义。只有推动Mini LED成本不断下降，技术不断成熟，良率不断提升，才有可以打开它的产品板图。

再往下是P0.2、P0.1以及更小间距的显示产品，一般是电脑、手机等便携式消费品应用领域。Mini LED则不足以支持该领域，则需要用到Micro LED才能够实现。

这张图，关于技术对比，大家也见过很多了，在这里就不详细展开分享了。Micro LED在技术方面的优势全面领先于液晶和OLED技术指标。

对于技术优势，再加上之前对像素Pitch值的分析，Micro LED的技术可能被应用在这些领域。通过这张图，想找到谁才是Micro LED技术的“玉露”，谁才能更好的引领Micro LED产业化成熟。目前比较被看好的是车载、AR等应用领域。其他领域目前都有比较适用的、成熟的产品技术。我们希望找到Micro LED的技术必须性的产品应用方向，需要更多的产品终端厂仔细地发掘。

为了探索答案，大家展开了很多的尝试。这个是索尼的产品，当时在业界引起了轰动。因为它很好地展示了当时Micro LED的芯片和巨量转移技术。此外，它的驱动技术也是非常引人关注的。所以，大家都认为它是一个很经典的样本。

台湾友达也Demo了这种Micro LED的巨量转移技术和产品模组。还有三星的The Wall，是典型的明星产品，已经形成的系列产品的演进，从Mini到Micro。

在微显示方面的应用及产品探索，这是台湾工研院所开发的2000PPI左右的产品。此外，北大青鸟据说做到了5000-10000PPI产品，这些都是非常优秀的工作。

刚才分享了Micro LED产品方面的情况，下面分享相关的技术。

我们通常会按照图中这八个技术方向进行解析。芯片技术、高光效技术、检测和修复技术、驱动技术、磊晶技术、巨量转移技术、适应转移的芯片技术、全彩色化技术。对于前照来讲，LED外延芯片是我们老本行。芯片技术、磊晶技术、适应转移的芯片技术、高光效技术都是我们要做好的、义不容辞的工作。此外，关于巨量转移技术，我们也在做一些探索和开发。巨量转移技术和芯片工艺有着密切的关联性。目前比较成熟的錼创、三安等，他们既有外延芯片又有巨量转移技术，因为拥有芯片技术是可以比较好地推动巨量转移技术成熟化。除此之外，我们觉得检测和修复技术是比较重要的技术，在这里是指LED芯片方面的检测。目前，从公开的信息来看，我认为目前主要有四个芯片检测技术方向。

1、非接触室的测试，比如PL。但是PL测试还是有比较明显缺点。比如，对于电性，没有太有效的检测手段。而作为二极管器件，电性是一个非常核心的参数。此外，对于光致激发出的光学性质，和电致发光发出的光学性质有一定差异，这一过程中需要有很多的弥补和较正，所以说它不是一个完美的方案，但是它是目前来说相对成熟的、可行的方案。

2、类似于Prober card 测试方式，这一方式难点更多在于针卡的制作。各家公司想了很多办法，都在积极地尝试。

3、通过把电极引出来，实现探针的接触和测试。这一方法也有很多限制。

4、集成封装再测试分选。这一测试的好处，把几个，或一组或几组，运用Micro LED多合一的概念，封装在一个小的基板上，实现点测。这一方法的好处，将小的Micro LED芯片变成了一个可测试的集成封装体。因为使用的是Micro LED，对基板的精度要求比较高，如何实现降低成本就是一个比较大的难题。此外该测试也离不开巨量转移技术。如果要求封装后的东西有兼具超薄、柔性的特点，难度就更大。

以上是我们对于目前芯片测试技术的看法，如果有更好想法的厂商，欢迎和我们做更多的交流和互动。

关于驱动技术，主要是面板厂和IC设计公司的专业领域。目前业内还没有比较成熟的适用于LED的驱动方案。因为Demo没有太大的问题，所以常常被人们所忽略。但是实际上，要实现真正的产品，当前驱动技术还存在很多的挑战。比如，LED最佳使用的电流与驱动功耗的匹配、灰阶的划分用什么方式等问题，需要行业上下游共同努力。

最后，关于全彩化技术，主要还是两条技术路线：色转换和RGB三色，色转换比较典型的方案就是量子点。这两条技术路线的优劣争论已久，目前仍没有确定的答案。个人认为，从光效角度讲，目前的红色，量子点有些优势。但是目前的光效对于LED和QD都还有一些进步的空间，所以持久来看，谁胜谁负还是取决于技术的进步速度和产业资本的倾斜。正如LCD一样，产业资本的疯狂投入会带动技术的跳跃式发展。但是换个角度，从可靠性来看，无机材料的LED明显具备优势。不过在消费电子领域，可靠性的要求并不明显。这一点上，QD虽然失分，但不致命。相反，在一些可靠性要求较高的领域，比如车载领域，全部无机RGB方案更受青睐。

此外，如果针对现有产品的个性，最终要有成本的考量。从成本角度考察这两种技术，我认为，在巨量转移技术没有做到极低成本时，在大尺寸应用上，转移的成本将明显高于芯片的成本。从这个角度讲，蓝光加QD方案将更有利于实现低成本，驱动方面也会简单。而在小尺寸应用上，芯片成本将高于转移成本，QD需要更高级的保护措施，成本上的优劣需要仔细分析。所以在大尺寸产品上，初期蓝光加QD方向稍微会走得快一些。韩国前几天发布了一个消息，三星或推QNED。据行业人士解读，QNED很可能就是Micro LED+QD。对于大尺寸技术一直坚持QD路线的三星来说， Micro LED+QD的技术路线可能是一个不错的方案。因为大尺寸需要功耗，OLED在功耗大时可靠性明显会受到影响，随着Micro LED技术成熟，Micro LED+QD的确是一个可以考虑的方案。三星是一个显示巨头，我们没有办法预测其技术路线背后的真因，但是相信应该会有跟风研究相关的技术。

这是我们技术调试的结果。在均匀性方面，红光没有太大问题，蓝光差强人意，绿光革命尚未成功。这些都主要还是基于现有设备进行调试。其实各家外延炉的厂商都在推广他们针对 于Micro LED的新型外延机台。从提供的数据来看，在均匀性、外延控制等方面都达到了一个不错的水准。所以对于这个环节的产业技术，我持积极的观点。

接下来，关于发光效率的讨论。提到LED，发光效率是永远避不开的话题。对于Micro LED，对于尺寸的越来越小，效率会变得越来越低。这在红光方面会表现得尤为明显。光效变低的一个主要原因是非辐射复合的增加。我们可以看到，随着尺寸的越来越小，表面复合区占芯片面积的比例显著增加，可能反而会进一步降低光电转换效率。所以如何去抑制和减小表面复合是我们研发的方向。另外，随着芯片尺寸的变小，更难以用更多的手段提高光取出效率，这也是导致Micro LED芯片光效降低的重要因素。比如说原来和芯片尺寸相比是非常微小的PSS、表面粗化等复杂结构，在整个器件只有30、甚至于10，甚至于几微米的情况中，它就不再会具有明显破坏光波导的作用，这些都导致小芯片的光取出效率低。相对于制程设备来说，IC行业里高精度设备的引入，将会极大地提升制程能力，从而使我们具备更多的手段来设计和制作一些针对性的结构，以改善上述的这些因素。总体来看，Micro LED还是有很大的光效提升潜力。从目前的光效水平来看，主要的问题还是红光，这是目前产业化的状况。

在Micro LED的制程方面，我们开发了角度可控的刻蚀技术，从50°-80°都可以控制。该技术的意义，在比较小的尺度下，外延层的厚度和芯片的尺度可以相比拟，在这种情况下，芯片的侧壁，是可以帮助做光取出的出光面，也可以帮助做光形的调控。所以把角度做到可控会帮助我们在这些方向做更多的开发和尝试。芯片更小，需要更精密的加工手段，最主要的就是光刻。目前的量产能力可以做到1um以下，但是对于要求小于5μm的器件，目前LED行业设备还需要升级。还有多种P/N的等高设计，要保证键合工艺的要求，基本上是micro LED器件要求的标配。总结一下，芯片制程的产业成熟度。我们认为，从制程精度的角度讲，现有的芯片尺寸的背景下，这个是比较成熟的。因为就算是再小，还有IC的设备可以用，只是价格的问题。从外观检测能力来看，我们认为现有的技术也可以做到，只是下一代发展方面需要进一步投入。包括各种结构芯片工艺，比如倒装、垂直、正装等方面，在Micro LED应用方面问题都不大，只是看客户的需求。所以，我们认为最不成熟的还是在光电测试，仍需要业界共同努力。

关于巨量转移。我更习惯将巨量转移分为巨量排列和巨量键合两大块。目前，大家对于巨量排列了解的更多一点，之前遇到瓶颈的确在这一段，比较经典的方案比如stamp、激光、静电、电磁、流体等，技术特点也各有千秋。

从技术发展速度上，我们认为目前比较快的还是stamp方式，因为这种技术设备相对成熟，是一个比较精准抓取的对位的设备。它的主要困难点在于材料，只要材料有突破，会表现得快一些。但是对于做更大面积，这种技术难度会变大。而且芯片也需要弱化结构的技术支持，工艺复杂，成本也相对高。而且对于修复方面是比较困难的，修起来是比较低效率的。

最近有一些提到激光转移。激光转移的优势是灵活，功能性上的可拓展性强，可以做定位选址，对于做批量修复是很有意义的。但是激光转移键合材料的选择和良率的相关性比较大，因此达到高良率还是有很多问题要解决。

流体最大的优势是成本，但是它的速度及损伤污染等方面还是需要优化。目前相对来讲，开发的公司比较少。设备基础也没有那么成熟。所以，个人认为，还需要一段时间的摸索。

电磁在某种意义上说，也是一种stamp方式。它的好处是可以选址，批量修复。它的工艺需求和复杂度要高于stamp方式。

总之，我们认为，巨量转移技术大幕才刚刚拉起，后续的较量应该会越来越精彩。乾照经过前期的研发，已经可以进行巨量排列。而且也规划了后面相应的技术发展路线。在此，我们希望能够有设备厂商和我们共同配合把它打造成有竞争力的转移技术。这是我们排列出的小图，因为显微镜视野的问题，只能拍到一个局部。另一个图是我们的Micro LED在点测机上点亮的实验。

巨量键合是巨量转移技术很关键的一点。键合技术是半导体领域相对比较成熟的技术。所以开始人们也没太在意该技术，觉得应该比较容易。比如metal bond、micro tube、glue形式的方案挺多的。但是实际做起来，其中的难点还是挺多的。

首先温度的选择就是一个问题。因为温度关乎转移的材料匹配，精度、基板耐受性等。我们已经开发了230℃、200℃、160℃等，仍在开发这一系列不同温度匹配的键合技术。另外，如何能够快速地高可靠度地做键合，这也是需要被关注的点。毕竟键合速度关乎成本，不可能键合一个东西用一分钟、两分钟，这样成本太高。

另一个关键词就是键合面积。这和stamp面积相关。如何在更大的面积上面保持压力和温度的均匀性，也是需要被关注的问题。

如果运用到电子产品上，还需要考虑各种可靠性，各种失效机制等，这些都是和键合技术息息相关的。

所以我们觉得，如果是简单的Demo，键合技术还是非常成熟的。但是真的用到实际的产品中，还要开发和验证很多问题。

总的来看，排列加键合构成的巨量转移技术，我们更倾向于认为未来不同尺寸的产品会运用到不同的巨量转移技术。首先，主要还是成本的考虑。其次，多数的转移的方法，还存在转移面积及芯片利用率的矛盾。相对来讲，stamp方形越大，晶圆的利用率越低。相对芯片成本则会变高。相反，如果stamp小，芯片的利用率更高了，芯片的成本降低了，转移的成本则会变高。对于小尺寸应用，小尺寸面积比较小，转移次数少，而像素密度高，所以它的芯片成本占比比较高。在这种情况下，可能选用面积相对偏小的转移方式来做，从而拉低芯片的成本。因此stamp方式基本够用。只要修复技术成熟，比较容易实现量产。对于比较大面积应用产品，转移的次数需要的多，实际上芯片占空比很小，需要的芯片的面积相对较小，转移成本占比要高于芯片成本。这种时候，大家更希望有更大面积的转移技术。Stamp可能会遇到一些困难。所以如何得到更大面积的转移能力非常重要。

对于以上这些分析，我们认为对于不同尺寸的产品需要不同的转移技术，不要一概而论。从产业化角度讲，我可能更认为巨量转移技术初现端倪，但是距离成熟还是有些距离，需要产业界上下游的同力合作，尽快发展出适用的、成本匹配的技术。

为了匹配巨量转移技术，我们做了一些芯片开发。图中是为了stamp方式做的悬空结构的技术开发。Stamp的材料和性质不一样，抓取方式不一样，所以在实际应用中需要进行针对性的调整。比如锚链的设计、锚定的方式，以及电极向上向下等，都需要定制化的开发。

该图是我们针对激光转移方式做的芯片工艺开发。用一个临时的基板，上面会涂有粘附性的材料，会把LED晶圆和它粘接在一起，再用激光把衬底拿掉，然后再做一些清洗，最后把不带衬底的片子进行下一步激光的排列和转移。在这一过程中，很大的问题就是会遇到良率的问题，比如芯片破损、芯片缺失、后续制程的兼容等。所以我们认为临时键合材料的选择比较关键。这是这一技术的难点。

乾照具有开放性的态度，我们既愿意和别人合作开发芯片制程，也希望能与一些设备厂商深入地合作开发一些巨量转移技术的设备。总之，一切都是为了推进Micro LED快速产业化。第三部分，就是我们对于Micro LED的成果及展望。

该图是两年前和客户合作的Demo。当时的像素Pitch值在50μm，这个是一个简单的Demo。

该图是我们去年的一些工作。左边是基于三色巨量转移的Demo。RGB三色可以持续点亮。右边是与福州大学合作的绿色的Micro LED显示屏，它是CMOS驱动的，这种微显示、投影式应用在未来会比较多。它的分辨率大概在640*360，像素周期大概是20μm；像素大小大概是10μm。

该图是我们从17年开始开发Micro LED的成果总结。我们做了很多的模组和Demo，也开发了很多的芯片工艺。今年我们会持续地提升RGB光效，继续把芯片的尺寸做得更小，会做一些micro array方面的研究工作。在巨量转移方面，我们会持续努力，争取早日实现Micro LED产业化。谢谢！

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