下一代微显示器技术：Micro LED产业化之路还有多远
发表于：2022-07-01
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前言：Micro LED被视为下一代微显示器技术，甚至被一些业内人士冠以颠覆产业的“终极显示技术”的称号。相较于LCD跟OLED，具有更轻薄、高解析度（1500PPI以上）、低功耗、高亮度、反应时间快、可视角度大等方面的优势,并且解决了需要搭配背光模组调整,黑位对比不佳等问题。Micro LED利用灯珠间距在50um以下的无机LED器件作为发光像素，来实现与有机发光二极管OLED、量子点发光二极管QLED相同的主动发光矩阵式显示。但不同的是，Micro LED无需大面积基板进行光刻或蒸发，也无需一个复杂过程来转换颜色和防止亮度降低。随着Micro LED显示技术的不断发展，其产业化也越发受到关注。苹果、三星、索尼、LG、华星光电、京东方等公司纷纷加入Micro LED的开发中。此外，很多从事Micro LED显示技术创业公司也相继成立，如Ostendo、Luxvue、PlayNitride（錼创科技）、显耀等。以2014年苹果公司收购Luxvue为起点，Micro LED显示技术进入快速发展阶段。与此同时，国内的终端厂和芯片厂也陆续加入Micro LED阵营，在衬底、外延片、巨量转移等领域开始发力，但尽管如此，Micro LED的大规模应用预计要到2025年前后，目前该领域还存在很多问题需要解决。新型显示技术在信息交流中承担着人机交互作用，是信息传输过程中的关键环节。围绕新型显示技术发展起来的产业具有投资规模大、技术进步快、辐射范围广、产业集聚度高等特点，对上下游产业的拉动系数较高，是各国及地区近年来竞相发展的战略性新兴产业。经过十多年的努力追赶，我国新型显示产业迅速发展壮大，已成为供给侧结构性改革的成功典型。近年来，全球显示面板产业开始出现结构性调整迹象。一方面，大屏化促进面板产能持续增长。另一方面，由于传统面板同质化竞争不断加剧，产业产值出现下滑趋势，显示产品的不断升级成为产业发展驱动力。2020年，全球LCD面板出货量高达2.33亿㎡，占全球显示面板96%市场份额，未来将继续稳定在高出货量，预计2025年将达到2.79亿㎡。而中国大陆显示面板厂商虽然相较于韩国、中国台湾厂商起步较晚，但近几年以20.23%的CAGR快速崛起，市场规模从2016年的4360万㎡快速增长至2020年的9110万㎡，预计2025年市场规模将达到1.21亿㎡。智慧城市、智能网联汽车以及虚拟现实等应用的兴起带动新型显示技术和产品进一步拓展。智慧城市建设的加速发展促进大屏商用显示面板销售出现爆发式增长态势，据IHS预测，2018-2021年全球商用显示收入的复合年均增长率(CAGR)将达到18%，远高于显示面板行业4%的年均增长率。智能网联汽车的发展为显示技术提供了新的应用场景，车载显示面板成为继手机之后成为中小尺寸应用的第二大市场。虚拟现实技术逐步走向成熟，对显示技术进步和性能提升将产生重要推动作用。轻薄、柔性、环保、个性化是虚拟现实显示器件必须符合的标准，未来将给新型显示产业带来新的挑战与机会。消费电子产品加速升级对节能环保提出新的要求，智能手机、平板电脑、可穿戴设备等智能移动终端的续航、环境友好已成为消费者日益关心的焦点。另一方面，随着更为严格的节能降耗标准的实施，新型显示产业加快向高光效发光材料、低能耗背光模组、健康化用眼环境等节能、环保、绿色方向发展。韩国、日本和我国台湾地区的显示协会共同发起成立了WLICC(世界液晶产业合作委员会)，旨在通过全球性的产业合作，敦促各个国家及地区在进行显示器件生产时能够兼顾环境保护，促进产业可持续发展。根据显示原理的不同，新型显示器件可以分为主动发光显示(像素发光，短程成像)、被动发光显示(像素不发光，依靠外部光源)、激光投影显示(像素发光，长程成像)3种类型。其中，主动发光显示主要包括电致发光显示(EL)、等离子体显示(PDP)、半导体发光二极管显示(LED)、激光荧光体显示(LPD)等。被动发光显示主要包括液晶显示(LCD)、电子纸显示(EPD)等。当前，主动发光显示中的主动矩阵有机发光二极管显示(AMOLED)和被动发光显示中的薄膜晶体管液晶显示(TFT-LCD)是目前最主流的显示技术，两者市场份额之和接近90%。LED显示的原理是利用半导体二极管的电致发光效应，使像素单元主动发光。在电场驱动下，半导体发光二极管中的电子和空穴经电极注入和相向传输，成对地结合为激子。特定材料中的激子衰变，可产生RGB三原色。在驱动电路的控制下，LED像素矩阵即可实现彩色图像显示。当前，LED显示产业已经步入成熟期，相关产品在照明装饰、高动态范围图像(HDR)显示(影院、酒吧与主题乐园)、背光指示器、广告租赁、零售百货、会议会展等应用领域的市场渗透率占比很高。液晶显示的原理是利用外加电压实时控制液晶分子的透光率，在背光源照射下实现被动发光显示。在外加电压下，每个像素单元内的液晶材料能够快速改变排列方式，动态地调整背光源光束的透光率。具有红黄蓝(RGB)滤色片的像素矩阵在驱动电路的控制下，能够在较高刷新率下实现动态彩色图像的显示。TFT-LCD显示是目前应用最广泛的显示技术。除太空、大温差、高湿等少数特殊环境外，TFT-LCD产品覆盖了所有的民用显示领域，如手机、电视、电脑显示器、平板电脑、笔电、公共显示屏等。有机发光二极管(OLED)显示被认为是当前最具发展前景的新型显示技术之一。其中，AMOLED显示器件凭借高对比度、可柔性、色彩艳丽等优点，已实现快速商业化应用。近年来，苹果、三星、小米、华为等终端厂商增加OLED面板的导入力度，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑以及电视产品，OLED面板渗透比重逐步扩大。群智咨询数据显示，2021年全球OLED显示面板的营收规模约为407亿美元，同比增长约34.6%。激光显示(LPD)的原理是将RGB单色激光混合成全彩色光，经高频扫描投影实现彩色显示。激光显示具有色域空间大、色彩丰富、色饱和度高等特点，理论上能够再现90%以上的人眼色域，远超液晶显示27%的再现率，而功耗仅为同尺寸LCD显示产品的三分之一。LPD的使用寿命可达10年，是传统光源的10至20倍。现阶段，激光显示大多通过蓝光激光激发荧光粉产生白光，窄谱三基色激光合成白光的技术仍处于研发状态。目前激光显示主要聚焦大屏市场，日本三菱公司开发出65/75英寸激光背投电视，索尼开发出激光数字影院技术，美国ES公司开发出飞行员仿真视景平台，德国耶拿光学开发出天文馆天象显示等，都各具特色。随着全息显示等需求的增长，激光显示仍有较大的成长空间。小间距LED是指相邻LED灯珠点间距在2.5毫米(P2.5)以下的LED背光源或显示屏产品。相比传统背光源，小间距LED背光源发光波长更为集中，响应速度更快，寿命更长，系统光损失能够从传统背光源显示的85%降至5%。相比传统LED显示器件，小间距LED显示器件具有高的亮度、对比度、分辨率、色彩饱和度，以及无缝、长寿命等优势，在影视娱乐、购物零售、文化教育、安全监控、公共广告等应用领域具有广阔的应用前景。据LEDinside预测，2022年小间距LED显示产品(包括MiniLED和Micro LED)的市场销售额将达到13.8亿美元。MiniLED为点间距在50-200um之间的小间距LED产品。相比点间距小于50um的Micro LED，MiniLED显示一方面可作为液晶显示直下式背光源获得主流市场应用，如手机、电视、车用面板及高端笔记本电脑等;另一方面，MiniLED有望衍生出背光高端机型，与OLED高端机型相抗衡。据LEDinside估算，相同对比度条件下，采用MiniLED背光的液晶面板价格仅约为OLED面板的70-80%，可以大幅提升现有液晶画面效果。由于具有性能和成本优势，近年来MiniLED在视频会议、会展广告、虚拟现实、监控调度等领域得到快速应用，逐渐侵蚀LCD和DLP拼接屏应用市场，有望成为市场主流。据LEDinside最新报告，2022年MiniLED的产值将达到6.89亿美元。各大企业纷纷开展研发，MiniLED产品的LED点间距记录被不断刷新。Micro LED又称微型发光二极管，是指高密度集成的LED阵列，阵列中的LED像素点距离在50um以内，每一个LED像素都能自发光。微缩化使得Micro LED具有更高的发光亮度、分辨率与色彩饱和度，以及更快的显示响应速度，预期能够应用于对亮度要求较高的增强现实(AR)微型投影装置、车用平视显示器(HUD)投影应用、超大型显示广告牌等特殊显示应用产品，并有望扩展到可穿戴/可植入器件、虚拟现实(VR)、光通讯/光互联、医疗探测、智能车灯、空间成像等多个领域。由于像素单元低至微米量级，Micro LED显示产品具有多项性能指标优势。Micro LED功率消耗量仅为LCD的10%、OLED的50%，其亮度可达0LED的10倍，分辨率可达OLED的5倍。在设备兼容性方面，Micro LED有望承接液晶显示高度成熟的电流驱动TFT技术，在未来显示技术演进进程中具有一定优势。根据LEDinside预估，2022年Micro LED显示的市场销售额将达到6.94亿美元，略高于MiniLED显示。Micro OLED是以单晶硅半导体为衬底，在半导体中集成了由千万个晶体管构成CMOS驱动电路，CMOS驱动电路顶层制作OLED有机发光二极管，是同时实现高分辨率和微小尺寸的微型显示器件。其具有自发光、厚度薄、质量轻、视角大、响应时间短、发光效率高等特性，而且更容易实现高PPI（像素密度）、体积小、易于携带、功耗低等优异特性，特别适合应用于微型显示设备。目前产业发展进度看，硅基的Micro-OLED的发展较硅基Micro-LED更快，业界也普遍认为苹果会首先推出硅基Micro-OLED的MR产品，硅基Micro-OLED是Micro-LED最大的竞争对手，但长远来看，Micro-OLED制作全彩存在能量转换效率过低的问题：由于RGB三色Micro-OLED制备的困难，目前Micro-OLED主要采用白光OLED+彩色滤光膜的方式形成RGB的全彩显示，滤光膜的主要特点是吸收白光中其他波段的光，将造成75-80%的光能量将被损耗；而Micro-LED采用蓝光激发红绿量子点产生红绿光，过程中只是将蓝光能量转换为红绿光的能量，其损耗小于滤光膜吸收白光导致的能量损耗Micro LED又称微型发光二极管，是指高密度集成的LED阵列，阵列中的LED像素点距离在50um以内，每一个LED像素都能自发光，以矩阵形式高密度地集成在一个芯片上的显示器件。Micro LED显示一般采用成熟的多量子阱LED芯片技术。以典型的InGaN基LED芯片为例，Micro LED像素单元结构从下往上依次为蓝宝石衬底层、25nm的GaN缓冲层、3μm的N型GaN层、包含多周期量子阱(MQW)的有源层、0.25μm的P型GaN接触层、电流扩展层和P型电极。像素单元加正向偏电压时，P型GaN接触层的空穴和N型GaN层的电子均向有源层迁移，在有源层电子和空穴发生电荷复合，复合后能量以发光形式释放。与传统LED显示屏相比，Micro LED具有两大特征，一是微缩化，其像素大小和像素间距从毫米级降低至微米级:二是矩阵化和集成化，其器件结构包括CMOS工艺制备的LED显示驱动电路和LED矩阵阵列。InGaN基Micro LED的像素单元一般通过以下四个步骤制备。第一步通过ICP刻蚀工艺，刻蚀沟槽至蓝宝石层，在外延片上隔离出分离的长条形GaN平台。第二步在GaN平台上，通过ICP刻蚀，确立每个特定尺寸的像素单元。第三步通过剥离工艺，在P型GaN接触层上制作Ni/Au电流扩展层。第四步通过热沉积，在N型GaN层和P型GaN接触层上制作Ti/Au欧姆接触电极。其中，每一列像素的阴极通过N型GaN层连接，每一行像素的阳极则有不同的驱动连接方式，其驱动方式主要包括被动选址驱动(Passive Matrix，简称PM，又称无源寻址驱动)、主动选址驱动(Active Matrix，简称AM，又称有源寻址驱动)和半主动选址驱动三种方式。其中，被动选址驱动是把像素电极做成矩阵型结构，每一列(行)像素的阳(阴)极共用一个列(行)扫描线，两层电极之间通过沉积层进行电学隔离，以同时选通第X行和第Y列扫描线的方式来点亮位于第X行和第Y列的LED像素，高速逐点(或逐行)扫描各个像素来实现整个屏幕画面显示的模式。主动选址驱动模式下，每个Micro LED像素有其对应的独立驱动电路，驱动电流由驱动晶体管提供。基本的主动矩阵驱动电路为双晶体管单电容电路。每个像素电路中，选通晶体管用来控制像素电路开关，驱动晶体管与电源连通为像素提供稳定电流，存储电容用来储存数据信号。为了提高灰阶等显示能力，可以采用四晶体管双电容电路等复杂的主动矩阵驱动电路。半主动选址驱动方式采用单晶体管作为Micro LED像素的驱动电路，从而可以较好地避免像素之间的串扰现象。半主动驱动由于每列驱动电流信号需要单独调制，性能介于主动驱动和被动驱动之间。对比来看，主动选址方式相比另外两种驱动方式具有显著优势:一是无扫描电极数限制，可实现更大面积的快速驱动;二是有更好的亮度均匀性和对比度，像素亮度不受同列点亮数的影响:三是没有行列扫描损耗，可实现低功耗高效率;四是具有高独立可控性,被点亮像素周围不受电流脉冲影响;五是兼容更高的分辨率。从基板材质看，Micro LED芯片和背板的键合的基材主要有PCB、玻璃和硅基。根据线宽、线距极限的不同，可以搭配不同的背板基材。其中，PCB基板的应用最为成熟。2017年Sony推出Micro LED显示屏CLEDIS，采用PCB基板作为背板，封装后与微米级别的LED键合。2018年，台湾地区工研院展出了将Micro LED芯片直接转移至PCB基板上的显示模块，为该技术增加了更多的应用场景。依托TFT-LCD工业的成熟度，以玻璃基板替代PCB基板被认为是Micro LED未来发展的主流方案。相较于PCB基板法，该方案更容易实现巨量转移，不仅有望大幅降低成本，同时更适用于对线宽、间距要求较高的工艺。CMOS工艺采用键合金属实现LED阵列与硅基CMOS驱动背板的电学与物理连接。制作过程中，首先在CMOS驱动背板中通过喷溅工艺热沉积和剥离工艺等形成功能层，再通过倒装焊设备即可实现LED微显示阵列与驱动背板的对接。无论是早期的LED还是现在的Micro LED，衬底材料难以承受沉积、蒸镀等高温工艺而极易损伤变形一直是柔性器件制造技术中的共性问题，需要在制造前期以各类刚性材料为搭载基底，再通过后期的剥离工艺完成器件向柔性基底的转移。蓝宝石是目前Micro LED的主流衬底材料，尺寸越大，厚度越厚。但是其不导电的特性、差异热性会影响Micro LED器件的发光效率。为寻找更优质的解决方案，国际上这一领域也有一些实际的动作，比如法国的Aledia已经在12英寸硅晶圆上尝试生产硅衬底纳米线Micro LED工艺。在目前整个显示领域衬底方面，蓝宝石衬底还是占据绝对优势的地位，而硅衬底在发光领域的应用相较于其在功率、射频领域的应用目前还不在同一水平上。目前国内蓝宝石衬底的知名厂商有：晶安光电、天通股份、蓝晶科技等。 人眼睛极其敏感，2nm波长差异，人的眼睛可以非常清晰的捕捉到，因此对于整个Micro LED生产过程中，对外延的均匀性提出了更高的要求。普遍业界认为，外延的均匀性要做到2nm以内无分选，并且满足后续巨量转移的要求。此外，对衬底的翘曲率、颗粒、缺陷也要严格的卡控，这是为后续的芯片工艺所考虑。目前的主流GaN外延技术有两种，一种是基于蓝宝石衬底，还有一种是基于硅衬底，这也与上文提到的两种衬底路线相对应。基于蓝宝石衬底外延GaN的技术已经比较成熟，适用性也广，但由于硅衬底外延片可以将封装、巨量转移等新技术更好的串联，业内也把该技术认作未来Micro LED发展技术。但是目前，基于硅衬底的GaN外延仍然不是业内的主流，目前主要原因有以下几点：- GaN与Si的晶格常数有17%的差异，造成高错位密度（蓝宝石为5*108，Si为107），这种差异容易导致GaN表面产生缺陷；
- GaN和Si有超过56%热膨胀系数的差异，导致应力无法释放，造成翘曲、龟裂；
- GaN中的Ga原子本身与Si会发生刻蚀反应。如果把GaN直接长到Si上面，就会被刻蚀反应掉；
以上的影响因素再加上制作工艺的影响导致了基于硅衬底的GaN外延片制作工艺复杂和良率较低等问题,并抬高了售价。
目前外延片的最新的技术是在基于隐埋氧化物的InGaN（氮化镓铟）层上采用外延层沉积技术开发InGaN基红光LED，相比在传统衬底生长的红光LED，InGaN基红光LED很好地覆盖了红光波长范围，并能一直保持直接带隙，理论上能够实现全波段的高效发光。但其生产技艺中仍存有相分离、晶格失配等问题需要解决。目前，国内的蓝宝石GaN外延片主要生产厂家有：三安光电、乾照光电、兆驰光电、华灿光电等；而硅基GaN外延片的主要厂家有：晶能光电、晶湛半导体等。
① 激光剥离技术（LLO）通过脉冲激光辐照致材料烧蚀实现器件向终端基底的转移。相比于化学剥离、机械剥离和离子束等其他高能束剥离，激光剥离技术具有能量输入效率高、器件损伤小、设备开放性好、应用方式灵活等优势，已成为柔性电子器件制造的关键技术；② 化学剥离技术（CLL）通过选择性化学腐蚀，实现器件与衬底的剥离。相较于激光剥离、机械剥离等传统剥离手段，化学剥离基本对器件无损，同时其良率较高、产能较高、成本较低，是一种新兴的可靠性较高的剥离技术。4、LED晶体薄膜化、微小化、阵列化——微缩制程技术Micro LED技术工艺按照实现方式的不同，可以分为芯片级焊接、外延级焊接和薄膜转移三种：将LED直接进行切割成微米等级的Micro LED chip，再利用SMT 技术或COB技术，将微米等级的Micro LED chip一颗一颗键接于显示基板上。该方法每次拿取一部分Micro LED做贴装，并重复这个动作，有时需要借用载体。对于大尺寸显示面板而言,此方法更为适用。在LED的外延薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP)， 直接形成微米等级的Micro LED外延薄膜结构，再将LED晶圆(含外延层和基板)直接键接于驱动电路基板上，最后使用物理或化学机制剥离基板，仅剩4~5μm的Micro-LED外延薄膜结构于驱动电路基板上形成显示划素。优点是具有批量转移能力，但是不可以调节转移间距。该方法适用于高ppi的小屏。使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED外延薄膜层，再利用感应耦合等离子离子蚀刻，形成微米等级的Micro LED外延薄膜结构；或者，先利用感应耦合等离子离子蚀刻，形成微米等级的Micro LED外延薄膜结构，再使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED外延薄膜结构。最后，根据驱动电路基板上所需的显示画素点间距，利用具有选择性的转移治具，将Micro LED外延薄膜结构进行批量转移，链接于驱动电路基板上形成显示画素。此方法成本低，对显示基板尺寸无限制，具有批量转移能力。Micro LED实现单色比较简单，通过倒装结构封装和驱动IC贴合就可以实现，但要实现全彩就相对复杂，用传统的RGB三色列阵需要分次转贴红、蓝、绿三色的晶粒，嵌入几十万颗LED晶粒，对于LED晶粒光效、波长的一致性、良率要求更高。目前有RGB三色LED、UV/蓝光LED+发光介质法以及光学透镜合成法三种方式。Micro LED的检测依托显微高光谱成像系统检测、非接触式PL检测、接触式光电检测、非接触式EL检测等。目前主要提出两种不同的修复技术。一种是冗余电路修复，即做两个或多个冗余的电路，假设有一个不好的电路，则把它断掉，再重新转移一次。当检测出现问题以后，进行替换。另外一种选择性激光修复。当发现一个坏点，用激光打掉，再重新放置进行修复。1、芯片技术：从芯片的技术角度看，现阶段Micro LED晶圆的波长一致性不满足量产化需求。而且随着芯片尺寸的缩减，发光效率急速降低。在器件构造过程中，感应耦合等离子体刻蚀会造成芯片侧壁的损伤，进而影响芯片发光特性和可靠性。2、背板技术：消费电子领域Micro LED技术使用的背板有两种：印刷电路板和玻璃基板。由于刷电路板的膨胀收缩比率较大，且容易翘曲，会造成巨量转移效果不良。玻璃基板的尺寸稳定性好，但其横向和纵向尺寸变化非等向，对加工工艺要求高。对于巨量转移技术而言，设备精密度、制程良率、制程时间、制程技术、检测方式、可重复性、加工成本等七大要素是巨量转移必须考量的因素。其中，最受关注的难点为，如何将转移良率提升到99.9999%（俗称“六个九”，意味着每转移一百万颗芯片只能有一颗不良），且每颗芯片的精准度必须控制在±0.5μm以内。总之，巨量转移最大的难点就是如何将LED芯片“又快又准”地转移到目标基板和PCB板上。此外，芯片制作完成之后，需要通过巨量转移将其转移到驱动电路背板上。目前Micro LED巨量转移技术主要有拾取释放法、激光转移技术、流体自组装技术和滚轮转印技术。巨量转移技术所面临的共性问题就是精度，要求转移精度为±1μm。其次，还要求转移具有极高的良率。芯片取放：通过转移装置将分离后的芯片高精度地从源基板上转移至目标显示基板的特定位置上；在线点测：检测设备通过对点亮后芯片亮度与阀值的判定，定位出 R/G/B 坐标档；修复：自动精准识别、定位坏点，进行重新抓点固晶及红外激光焊接，最后通过检测，实现批量修复。- 范德华力：采用高精度控制的打印头，进行弹性印模，利用范德华力让LED器件黏附在转移头上，然后放置到目标衬底片上去。目前采用的弹性体（Elastomer）一般是PDMS。X-Celeprint也称其技术为Micro-Transfer_Printing（μTP)技术。
- 磁力：利用磁力的原理，是在LED器件中混入铁钴镍等材料，使其带上磁性。在抓取的时候，利用电磁力控制，达到转移的目的。
- 静电力：来源于美国Luxvue公司，2016年被苹果收购。其根据静电原理，利用相反电荷的吸引来拾取LED器件。该过程包括从带有一排静电转移头的载体基板上拾取一排LED器件，并从工作电路中施加电压以产生抓取力，从而与LED器件接触并转移。转移头在电场作用下加热并液化接收基板键合层，将LED器件阵列键合到接收基板上，最后施加反向电压释放LED器件。
- 磁力自组装：Self Array公司开发的利用磁体、振动和悬浮力将LED自组装成阵列的技术，首先将LED外表包覆一层热解石墨薄膜，放置在磁性平台，在磁场引导下LED将快速排列到定位。采用这种方式，需要先处理磁性平台，让磁性平台能有设计好的阵列分布，而分割好的LED器件，在磁场的作用下能快速实现定位，然后还是会通过像PDMS一类的中间介质，转移到目标基底上去；
- 流体自组装：eLux公司利用流体的作用，让LED落入做好的特殊结构中，达到自组装的效果。2017年eLux公司申请了此项技术专利衬底有井状接触位，Micro LED在诸如异丙醇，丙酮或蒸馏水的流体中，在接收基板的表面上随悬浮液流动时，直到到达捕开放受体位置便会被底部井通过重力和毛细作用力进行捕获微型LED，定位后，可将微型LED的阳极和阴极与驱动器IC结合在一起进行进行退火处理，使得Micro LED和衬底形成电气连接，据报道，每小时可以实现超过5000万个设备的填充（传输）速率。
单片集成技术是指在CMOS驱动晶圆上通过微显示器件的设计及工艺直接将LED外延片制成LED阵列，然后将阵列整体装到驱动基板上。全部流程半导体工艺制造，关键的像素尺寸通过光刻机加以定义。这样可以使得像素点尺寸更小、像素间距更小。同时无需巨量转移技术进行二次转移，一次性达到超高像素、超高解析度的显示。目前该技术主要应用于VR/AR等微型显示领域。4、全彩化技术 ：Micro LED的全彩化技术主要有3种：三色RGB法、UV/蓝光LED+发光法、透镜合成法。① RGB三色LED法（也称All-in-one RGB Micro LED）RGB-LED全彩显示显示原理主要是基于三原色（红、绿、蓝）调色基本原理。众所周知，RGB三原色经过一定的配比可以合成自然界中绝大部分色彩。同理，对红色LED、绿色LED、蓝色LED，施以不同电流即可控制其亮度，从而实现三原色的组合，达到全彩色显示的效果，从原理上说是实现彩色显示质量最好的方案。目前在Micro LED大屏显示中应用较多。但是，三色RGB用于大像素显示构造时，巨量转移的芯片数量多、难度大，且红光LED效率不高。在RGB彩色化显示方法中，每个像素都包含三个RGB三色LED。一般采用键合或者倒装的方式将三色LED的P和N电极与电路基板连接，具体布局与连接方式如图所示。之后，使用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制（PWM）电流驱动，PWM电流驱动方式可以通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。例如一个8位PWM全彩LED驱动芯片，可以实现单色LED的28=256种调光效果，那么对于一个含有三色LED的像素理论上可以实现256*256*256=16，777，216种调光效果，即16，777，216种颜色显示。具体的全彩化显示的驱动原理如下图所示：但是事实上由于驱动芯片实际输出电流会和理论电流有误差，单个像素中的每个LED都有一定的半波宽（半峰宽越窄，LED的显色性越好）和光衰现象，继而产生LED像素全彩显示的偏差问题。UV LED（紫外LED）或蓝光LED+发光介质的方法可以用来实现全彩色化。其中若使用UV Micro LED，则需激发红绿蓝三色发光介质以实现RGB三色配比; 如使用蓝光Micro LED则需要再搭配红色和绿色发光介质即可。该技术目前更适用于VR/AR、智能穿戴、手机、平板等微型显示、中小尺寸显示领域。发光介质一般可分为荧光粉与量子点（QD：Quantum Dots）。纳米材料荧光粉可在蓝光或紫外光LED的激发下发出特定波长的光，光的色彩由荧光粉材料决定。这种方式简单易用，使得荧光粉涂覆方法被广泛应用于LED照明，并可作为一种传统的Micro LED彩色化方法。荧光粉涂覆法一般是在Micro LED与驱动电路集成之后，再通过旋涂或点胶的方法涂覆于样品表面。下图则是一种荧光粉涂覆方法的应用，其中下图左显示一个像素单元中包含红绿蓝4个子像素，下图右则显示了使用了荧光粉涂覆方式的Micro LED在点亮后的彩色效果。该方式直观易懂却存在不足之处，其一荧光粉涂层将会吸收部分能量，降低了转化率；其二则是荧光粉颗粒的尺寸较大，约为1-10微米，随着Micro LED 像素尺寸不断减小，荧光粉涂覆变的愈加不均匀且影响显示质量。而这让量子点技术有了大放异彩的机会。借由量子点技术的发展，发光介质的方法有了延续下去的可能。量子点又可称为纳米晶，是一种由II－VI族或III－V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1～10nm之间，可适用于更小尺寸的微型显示。量子点也具有电致发光与光致放光的效果，受激后可以发射荧光，发光颜色由材料和尺寸决定，因此可通过调控量子点粒径大小来改变其不同发光的波长。通过蓝光激发绿色量子点和红色量子点可实现RGB彩色的方案。当量子点粒径越小，发光颜色越偏蓝色；当量子点越大，发光颜色越偏红色。量子点的化学成分多样，发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区。而且具有高能力的吸光-发光效率、很窄的半高宽、宽吸收频谱等特性，因此拥有很高的色彩纯度与饱和度。且结构简单，薄型化，可卷曲，非常适用于微显应用。
但是量子点的主要问题为各颜色均匀性与各颜色之间的相互影响，所以解决红绿蓝三色分离与各色均匀性成为量子点发光二极管运用于微显示器的重要难题之一。此外，当前量子点技术还不够成熟，还存在着材料稳定性不好、对散热要求高、且需要密封、寿命短等缺点。这极大了限制了其应用范围，但随着技术的进步和成熟，我们期待量子点将有机会扮演更重要的角色。透镜光学合成法是指通过光学棱镜（Trichroic Prism）将RGB三色Micro LED合成全彩色显示。具体方法是是将三个红、绿、蓝三色的Micro LED阵列分别封装在三块封装板上，并连接一块控制板与一个三色棱镜。之后可通过驱动面板来传输图片信号，调整三色Micro LED阵列的亮度以实现彩色化，并加上光学投影镜头实现微投影。整个系统的实物图与原理图、显示效果如下图所示。- 红光Micro LED制备不易：一方面传统红光LED通过AlGaInP体系制造，芯片的转移、bonding等制程良率不高，且原材料毒性较大；另一方面，InGaN基红光LED外延技术还不成熟。
5、接合技术：Micro LED的接合技术主要分3种：预置锡膏技术、金属共晶键合技术、微管技术。由于Micro LED电极之间距离很小，使用锡膏工艺容易造成芯片正负极之间导通，形成微短路现象。随着芯片尺寸的缩小，芯片与驱动电路基底热膨胀系数的差异使得共晶键合只适用于20μm以上芯片。而微管技术一般用于10μm以下接合。6、驱动技术：Micro LED显示中每个红绿蓝像素配置一个驱动Micro-IC。Micro-IC能通过占空比来调整亮度和色阶。由于驱动电流太小，通常会出现低灰阶下亮度、色度不稳定的问题。- 抗环境光干扰问题：与LCD显示技术不同，Micro LED显示上表面没有滤光片，抗环境光能力差。
- 大角度色偏问题 ：色偏问题主要由红绿蓝三色芯片光场分布不同和相邻像素之间发光串扰问题造成。
- 单色场和灰场均匀性的问题 ：由于Micro LED显示终端多为多块拼接的，所以很难保证每一块显示单元上的所有芯片波长都能满足此要求，另外由于每颗芯片的典型驱动电压均有浮动，就会造成单色场每一块Micro LED显示单元在光色一致性上有所差异。
- 由于拼接基板颜色一致性的问题和单元之间及单元之内驱动电流的差异，会形成普遍存在灰场一致性的问题。
- 驱动功率问题 ：Micro LED显示技术由于像素级的控制，需要的驱动芯片数量较多，从而导致驱动芯片的功率大幅增加，且由于是低电压、高电流驱动，导致电源效率低、线损大。
Micro LED在各个技术环节所面临的技术瓶颈是共性的，归结起来就是：精度→良率→效率→成本的问题。这几个问题是逐层递进，且具有因果关系。Micro LED显示技术成立的前提就是精度，如果精度低，就难以实现高性能的Micro LED显示;在保证精度的前提下，良率和效率是降低成本的最重要因素，也是Micro LED技术大规模产业化的前提。目前Micro LED各环节基本处于提升精度的阶段，距离良率和效率提升阶段仍有一段距离。
根据LEDinside预估，2022年Micro LED显示的市场销售额将达到6.94亿美元，略高于Mini LED。同时根据Yole的研究和预测，Micro LED各细分领域发展的时间点如下：- VR/AR：2022年由单色眼镜开始发展，至2025年进入消费级；
具体Micro LED的应用时间节点，可见下方附图，本章也将通过对不同应用场景、不同技术路线的分析进行详细阐述。目前，小尺寸微型显示市场主要以VR/AR装备、智能手表等穿戴类设备的屏显为主。当前已有的微显示技术包括OLED（有机发光二极管）/LCoS（硅基液晶）/DLP（数字光处理）/LBS（激光束扫描仪）等，但这些技术均无法兼顾成熟性、性能、成本等指标。Micro LED 是业内公认的微显最佳解决方案，相较其它技术，Micro LED在亮度、对比度、工作温度范围、刷新率、分辨率、色域、功耗、延时、体积、寿命等多方面具备优势，被期望为下一代主流显示技术的重要路径。根据之前对各技术发展的难度和趋势，我们判断，未来在微显示市场各项技术的应用如下图所示。预测21年成为VR出货量拐点，VR市场迅速发展。硬件端：根据IDC数据，2021年全球VR头显出货量达1095万台，突破年出货1000万台的行业重要拐点；内容端：消费端硬件起量带动内容正向循环，内容平台应用数迅速增长。小米和OPPO先后于2021年底发布了单色绿光的单目AR眼镜，该方案定义为虚拟辅助现实系统，可实现实时翻译、导航、信息现实等基础的功能。该产品的推出，对于AR行业有以下重要的意义：产品入眼亮度达到1400nits，可实现在室外环境中清楚的显示功能。通过虚拟辅助显示的系统方案，展示了AR作为个人辅助工具的应用场景，预计随着单色Micro LED成本的降低，将有机会打开Micro LED为基础的AR眼镜市场。雷鸟创新于2021年底发布了双目全彩AR眼镜，目前仅是样机阶段，仍未开始大规模供应。Micro LED光机采用RGB Micro LED加混色棱镜的方案，也是行业第一家实现全彩Micro LED的双目智能眼镜。近年来，由于超高清电视的普及和8K电视的逐渐推广，对LE 显示屏也提出了更高解析度的需求，传统的LED显示屏采用普通正装 LED 及单像素封装的形式，目前其主要应用在像素间距大于1mm 以上的显示产品中。正装LED芯片面积、焊线距离和封装尺寸等因素，限制了传统方案在 p1.0 以下显示产品中的应用，这为Micro LED提供了广阔的应用空间。考虑到显示屏尺寸越小，LED芯片尺寸越大，则 Micro LED 的生产技术难度越小，因此，在家用电视领域，我们判断 Micro LED 将率先从LED显示芯片尺寸最大的超大电视(100-150寸 )应用开始渗透。一方面，Micro LED是自发光技术，在色彩表现力上不仅不逊于 OLED，同时也可以实现透明显示和柔性显示。同时，Micro LED 在50英寸以上大尺寸显示器相比 LCD 有着无需背光模组，功耗极低以及抗反射防眩的优点，而传统LCD显示面板随着尺寸的变大工艺难度也会倍增，若能实现高效率的大规模装配，Micro LED在大尺寸显示器领域将更具价格优势，从而取代LCD。在8K清晰度情况下，100寸LCD屏幕价格是65寸大概16倍，OLED大概是37倍，而 Micro LED可以实现11倍左右的成本， 因此Micro LED显示在100寸以上的超大电视上对比现有的OLED和LCD产品价格提高幅度较小，同时显示效果有较大幅度提升。此外，超大尺寸电视应用于高端电视市场，主要面向高端商业结构或高净值人群，因此这类消费群体对于价格的敏感度也比较低，这就为Micro LED在超大尺寸电视中的应用提供了经济基础，而超大尺寸电视因为LED显示芯片的尺寸较小，巨量转移的难度较低，显示器修复的成本也会比较低。TrendForce最新研究显示，微型LED大尺寸显示器将走向家庭影院和高端商用显示市场，预计2022年微型LED大尺寸显示芯片收入将达到5400万美元。到2026年，收入预计将增长到45亿美元，年复合增长率为 204%。Micro LED高亮度、低耗电的特点能让手机的耗电量明显降低且其柔性、超薄（比OLED屏还要轻、薄）的特点在“越薄越好”的手机行业也是有很大的卖点。然而，Micro LED在中小尺寸应用的缺点也十分的清晰。首当其冲的便是成本问题。以索尼出品的黑彩晶为例，这套采用 Micro LED 技术的显示系统一平米的单价高达100万人民币。以这样的价格换算到手机屏幕领域，单屏的成本就会高达数万人民币，这样的价格是大多数客户难以承受的。同时，Micro LED还存在一些技术难点和瓶颈。芯片，需要高精度、高良率的制程；量产，需要巨量转移技术；芯片、背板和驱动需改良工艺，实现高光效；全彩电化技术、检测技术也需要突破。预计在2025年后，中小尺寸的应用会慢慢普及。随着Micro LED的显示优势不断凸显，国内外大批企业纷纷开始在该领域布局。从产业环节角度看，Micro LED显示产业链可大致分为设备、材料、零组件、面板、应用5个部分。关键设备方面，除了有机金属化学气相沉积(MOCVD)、测试和封装设备之外，还包括巨量转移设备。面板除TFT制程外，还包括巨量转移制程和微型化封装制程。下图为Micro LED显示产业链环节示意图：上海显耀显示科技有限公司（北大青鸟集团控股，英文名：Jade-bird Display，简称JBD）由李起鸣博士作为核心研发人员于2015年发起成立，研发生产中心位于中国上海浦东。JBD是国内较早从事晶圆级制备微显示器件，专注于研发生产微显示屏；主要提供近眼显示AR、MR、抬头显示、微型投影仪3D打印曝光等应用的产品和解决方案。目前，公司产品已经与OPPO、Vuzix等知名企业开始合作并推出样机，并得到同创伟业、三星等知名投资机构的投资，现估值约30亿人民币。
（二）巨量转移技术方案
虽然近年来有不少厂商宣称巨量转移技术点上实现了突破，但从市场反应来看，这些方案更多处于试错阶段，并未具备大规模商用化的潜质。从方案上来看，巨量转移技术主要分为pick and place、Laser Release（激光转移）、Self Assembly（自组装技术）、Roll Printing（转印技术），从事这方面研究的主要有LuxVue、錼创、X-celeprint等厂商。
其中LuxVue被苹果收购，主要采用了pick and place中的静电吸附方式，不过这种方法对Micro LED的位置高度都需要高精准，因此放在大尺寸面板上会更加困难。因此苹果对于Micro LED的推进更多集中在Watch可穿戴设备上，而非大屏产品，这一路径电科技认为也是Micro LED应当遵循的演进步伐。
台湾錼创科技目前主要有三大产品线，包括PixeLED Display on TFT、PixeLED Matrix on PCB以及μ－PixeLED on CMOS，分别应用于大尺寸拼接显示器、消费性电子产品、车用显示器、穿戴装置以及AR眼镜等产品。其中，大尺寸市场上，三星今年在CES展示的110吋大尺寸Micro LED电视就是双方合作成果，目前錼创出货主力也是在电视应用上；在车用市场，錼创已经与多家车厂或Tier 1厂商展开合作，因做出的透明显示器更获得许多车厂关注，并将同友达共同推出的可饶式车用显示器。
技术的演进节奏很重要，但更为重要的层次在专利上。作为未来显示技术的卡脖子环节，如果不能将专利攥在手里，国内厂商在Micro LED领域或将重演液晶起步滞后的局面。
根据Yole出具的Micro LED显示专利报告，其中前三名均为外国厂商，LuxVue和X-celeprint把持着巨大的专利数量。国内目前ITRI（台湾工研院）、CSOT（华星光电）紧随其后，但专利数量仍不及LuxVue半数，差距依然十分悬殊，上榜大陆厂商有CSTO（华星光电）、BOE（京东方）、中国长春光机所以及中国歌尔股份。此外，国产厂商利亚德、大族激光也在该领域纷纷发力。
从整体来看，苹果在Micro LED领域仍拥有较大的话语权，这也意味着苹果在未来势必会更加青睐Micro LED产品的迭代，以此提高自己的供应链议价能力，而非OLED厂商几方的交错制衡。再加上苹果本身体量庞大，更加利好Micro LED产品场景落地，因此要想占据上游地位，国内厂商需要在专利技术上再下一番功夫。
（三）基板制造
作为Micro LED应用场景落地的关键一节，基板的材料决定了Micro LED的功用属性。常见应用方式不外乎基于PCB的全彩广告牌或者是基于玻璃基板的显示屏，相比前者，Micro LED更容易在平整的玻璃基板上实现巨量转移，因此小尺寸屏幕会成为首要应用场景。
作为传统显示领域的固定链条，基板材料一直处于稳定地位，因此Micro LED入局可以促成对现有产能的消化，不过这也需要基板厂商为巨量转移技术做好承接。
（四）生产设备
从整体来看，目前国产设备成熟度、稳定性都逐步高，包含从芯片点测、分测、固晶、焊线、点胶、检测返修等诸多关键生产环节，凭借服务效率和高性价比等各项优势，国产设备已经成为封装与显示厂商的新宠。
1、MOCVD设备
国产MOCVD设备厂拥有自主研发能力。有市场机构预测，到2026年，MOCVD设备全球每年需求超过800台，因此前景远大，但是因为进入门槛高，目前涉足的企业比较少。代表性企业就是德国爱思强、美国维易科、中微半导体等。
2、分选设备
分选设备方面，惠特占据优势。今年台湾惠特第一季营收18.17亿元（新台币），其中点测机及分选机营收占比74%，季增7.5%，与去年同期持平。2022年5月惠特在某会议上表示，公司显示端客户受到大陆疫情封控影响，拉货状况略为放缓，但是非常看好未来市场。除了惠特，还有梭特科技、泰克光电也都有知名度，特别是随着Micro LED技术走向成熟，他们在国内国际影响力逐渐提升。
3、固晶机
固晶机市场供不应求，国际国内品牌平分秋色。由于市场前景广阔，固晶机领域队伍不断扩大。固晶机厂商代表主要有：新益昌、万福达、普莱信智能、先进光电、高声光电、ASM、东丽、K&S等企业，新益昌是国内固晶机行业的龙头，市占率达到62%，在全球LED固晶机市占也有30%，直接供货三星等跨国巨头。与国外固晶机设备相比，国产固晶机在配件、软件方面都占有优势，效率、良率方面也不输国外。但是Micro LED巨量转移技术还是一座非常难以跨越的高山，目前各家固晶机设备厂都在加大研发投入，以期获得更大技术突破和市场份额。随着芯片不断微缩化，技术不断更新，固晶机未来将朝着超高精度化、软件智能化、设备集成化和超高良率等方向发展。
4、点胶机、检测返修设备
点胶机、检测机等细分领域，国产设备依然占有一定优势。目前布局检测设备的企业非常多，比如盟拓电子，其检测返修设备已经升级到第三代，基本能满足60%以上主流客户的需求，正朝着更高精度与速度方向发展。而精测电子、特仪科技、精智达、合易科技、宁波九纵智能、韩国NANO EX等设备厂也各有自己的优势，在行业内发光发热。点胶机主要是长林自动化、凯格精机、腾盛精密等企业布局。整体来看，国产设备优势比较明显。
六、总结和展望
在当前技术和工艺条件下，Micro LED显示技术是对目前主流显示技术一个有效的补充，在应用上填补了目前主流显示技术的短板和空白。在超大显示上利用其可拼接性，可以满足大尺寸显示的需求。利用其像素级控光达到的高亮度、高色域、高对比度性能，可以满足在户外、半户外及影院场景下使用的需求。超小显示主要针对VR和AR技术的应用，利用其超小的晶粒尺寸，可以实现上千像素密度的需求。
Micro LED被视为下一代微显示器技术，甚至被一些业内人士冠以颠覆产业的“终极显示技术”的称号。相较于目前主流的LCD和OLED，Micro LED具有高解析度（1500PPI以上）、高亮度、可视角大、使用寿命长、响应时间短和低功耗等优势；同时它自发光无需背光源的特性，具备体积小、轻薄化的特点；并且解决了需要搭配背光模组调整, 黑位对比不佳等问题。作为未来显示技术的主流趋势和发展方向，Micro LED得到了行业的普遍认可，以其优异的性能和潜在的应用价值，在业内已经掀起了一波又一波相关技术研究的浪潮。
可是，由于Micro LED显示微缩化、集成化的特征，Micro LED显示技术尚不完全成熟，对芯片、背板、发光介质等材料提出了更高的要求，同时在制备过程中还有巨量转移等关键工艺仍需逐步完善。在多色的应用场景下，其技术的发展、成本的下降、良率的提高也还需要一定时间的积累。但其在消费电子领域及其他应用领域所表现出来的特性与优点决定了，一旦以上的问题得到解决，其推广的速度将会十分迅速。可以预见的是，Micro LED在大规模应用之前，仍有一段较长的路需要去走，但显而易见的是，Micro LED的未来是可以预期的，其发展前景也是光明的。
