哪有吃烧饼不掉芝麻的？论Micro LED三大挑战

在个人先前的文章中，曾说过Micro LED是个终极的显示器，它不需要背光，不需要彩色滤光片，不需要液晶来控制光的输出，当然也就没有了偏光片。相较于OLED，Micro LED本身是无机物，在制作及使用过程中，是不需要担心水及氧气的侵袭。而LED红蓝绿三原色的光谱又窄，有绝佳的色度及饱和度。最后一个优势就是省电了，尤其对于携带式产品更是重要，因此没有任何一种显示器能够望其项背。

然而大家也都知道Micro LED最大的罩门在于巨量转移(mass transfer)，巨量转移已被研究超过十年，用尽各种方法，但到底有没有解，并达到经济的生产规模？也就是有没有办法在吃烧饼的时候，可以不掉芝麻？以下是个人的一些看法。

在一个4K 65寸的显示器，大概需要转移2,500万颗的Micro LED，而每颗的边长在10~20微米。这些数字相较于最先端的半导体技术，如5纳米制程及数十亿颗晶体管做在一个芯片上，一点都不惊人。然而不论就半导体以及显示器产业，所有主要的制程都是晶圆及面板在绝对静止的情况下完成的。但是Micro LED巨量转移需要完成抓取、移动及放置三个动态的过程，而一次的抓取需要10万颗以上。动态的过程中，机台及环境的各项参数是很难掌握而且随时在变更。

Micro LED的巨量转移，又得需要分别转移红蓝绿三种不同颜色的LED芯片，这又使得困难度变成了3次方倍，而不是3倍。笔者在美国当研究生时，有时为了精密的微影实验，必须等到夜深人静时，建筑物中没人在走动才能进行。

在无法达到百分百的巨量转移条件下，修补势必是无可避免的。虽然也有不少有创意的修补方法被提出，但这些都是成本，而且所费不赀。几年前曾有单位提出只巨量转移蓝光LED，而利用绿色及红色萤光粉涂布在蓝光LED上，如此就可以完成红蓝绿三原色的Micro LED，同时也增加了巨量转移的成功率，以及减少修补的成本。然而将萤光粉直接涂布在LED上，是会受到热影响而让萤光粉产生劣化，可靠度是个问题。

Micro LED的第二个挑战是半导体磊晶的均匀性。LED需将不同的原子成长在蓝宝石(sapphire)或砷化镓(GaAs)的基板上，有时需将3种甚至4种原子，依照固定的比例，一层一层地成长在基板上。这个过程都在1,000度以上的高温，并混合了5、6种的气体进行化学反应。若其中四元化合物的一个元素的组成偏离了1%，会造成10几纳米波长的偏移。

在电子信号的世界里，电压及电流相当程度的偏移，通常是可以被接受的。但是对于显示器而言，人的眼睛是非常灵敏，稍为的色偏很容易被察觉出来的。这也是为什麽在中大尺寸显示器上，制作上仍习惯采用彩色滤光片，如三星前阵子提出的量子点(QD)滤光片，因这样对于颜色的均匀性较容易掌握。

Micro LED的第三个挑战是放大(scale up)。我们都知道放大是商品化过程中很重要的一环，以达到经济规模并且降低成本。IC晶圆制造及面板显示产业都是依靠放大来不断降低成本。IC晶圆制造在微缩过程中，虽然有相当的资本投入，但是因为微小化，每片晶圆产出晶粒的数目变多了，因此每一个技术时代也都有三成左右的成本下降。面板业也是依靠不断加大玻璃板的面积，使得在相同的制作流程中，产出更多的面板而降低成本。

但是Micro LED却很难有scale up的空间。首先蓝宝石基板因为晶体结构的关系，很难有6寸以上晶圆的产出。再者10~20微米的Micro LED，已没有空间做更进一步的微缩，因为再继续缩小，四周的暗区(dark area)将导致没有足够光源的产生。最后巨量转移是Micro LED的关键，而这部分基本上是一个封装业，要多一倍的产能，就需要多一倍的资本支出。所以基板无法加大，尺寸无法缩小，再加上关键制程无法有效放大，这就是Micro LED在商品化过程中最大的挑战。

Micro LED还是会找到它安身立命的地方，毕竟是受人如此的青睐，尤其在小尺寸可携式的显示器，如智能手表、AR、VR等利基型产品，但不会在中大型的显示器上。我曾多次尝试在吃烧饼的时候不掉芝麻，但都没有成功过！