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哪里有吃烧饼不掉芝麻的?论Micro LED三大挑战

  • 詹益仁

Micro LED还是会找到它安身立命的地方,如智能手表、AR、VR等利基型产品,但可能不会在中大型的显示器上。(示意图,非Micro LED产品)Unsplash

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。

在电子讯号的世界里,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。这也是为什么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,因此每一个技术世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!

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司执行长。