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一文浅析MicroLED优势、技术难点及可实现领域
尽管固态照明迅速发展,但是显示屏的背光仍然是LED的实质性市场。十多年来,屏幕都是由这些设备进行显示的 – 最初这些设备被放置在传统的封装中,最近更多地是在芯片级的封装中,而且它们现在是LCD的背光源。

LED封装的一个最成功案例是作为大型视频广告牌中的光源,比如在体育场馆、商场等。根据显示屏的尺寸和分辨率,包含红色、绿色和蓝色芯片的分立封装LED形成单个像素,间距通常为1 mm至40 mm。

截止今日,LED都没有被用作为小间距显示屏中的直接发光元件 - 即像素。这种现象是由许多问题造成的,包括成本和制造可行性。但是,使用microLED和亚毫米像素间距生产显示屏的想法可以追溯到LED起步时期。

在过去五年中,开发基于microLED的显示器兴趣大增,尤其是2014年苹果公司收购Luxvue之后。去年10月,Facebook收购沉浸式虚拟现实技术公司Oculus;而今年5月,夏普收购了另外一家microLED的新创公司eLux,以及最近Google注资瑞典Micro LED制造商Glo。

鉴于这些收购,证明microLED不只仅是停留在实验室。那么,这些大品牌为什么对这项技术这么感兴趣呢?因为microLED可以将独立的红色、绿色和蓝色子像素作为独立可控的光源,能够形成具有高对比度、高速和宽视角的显示器。

事实上,MicroLED显示器比OLED的对手要强很多,因为microLED有更宽的色域、带来更高的亮度、更低的功耗、更长的使用寿命、更强的耐用性和更好的环境稳定性。此外,如苹果最近的专利文件所示,microLED可以集成传感器和电路,实现具有嵌入式感测功能的薄型显示器,如指纹识别和手势控制。

虽然microLED仍然还未进入市场,但是它们还不只是停留在纸上的想法。在2012年1月的“International CES”上,索尼就展出了1920×1080像素的55英寸microLED显示器,包含620万个子像素,每个都是可独立控制的microLED芯片,受到媒体的强烈关注。但是,索尼对于商业化还没有给出时间表,到目前为止,没有一台microLED电视机进入市场。

microLED本质上是一项很复杂的技术

今天,microLED还没有一个普遍认可的定义。但是,一般来说,microLED被认为是总表面小于2500 mm2的LED芯片。这相当于是50mm×50mm的正方形,或直径为55mm的圆形芯片。 根据这一定义,microLED今天已经出现在市场上了: 索尼在2016年再次亮相,采用小间距大型LED视频墙的形式,传统的LED封装由microLED替代。

制造microLED显示器的技术涉及方方面面:将LED基板加工成准备用于拾取和转移到接收基板的microLED阵列,用于集成到非均匀集成的系统中:显示器。显示器又集成LED、像素驱动晶体管、光学器件等。外延片可容纳数亿microLED芯片。

实现MicroLED显示屏有两个主要选项。一个是将microLED单独或分组地拾取并转移到薄膜晶体管驱动矩阵上,这类似于OLED显示器中使用的;另一个是使用CMOS驱动电路将数十万个MicroLED的完整单片阵列组合起来。

如果采用这两种方法中的第一种,则组装一个4K显示器需要拾取、放置和单独连接2500万个microLED芯片(假设没有像素冗余)到晶体管背板。用传统的拾放设备操纵这样的小型设备,每小时的加工速度约为25,000个单位。这太慢了, 组装单个显示器将需要一个月的时间。

为了解决这个问题,像苹果、X-Celeprint等数十家公司已经开发出大规模的并联抓取技术。他们可以同时加工数万到数百万的microLED。但是,当microLED尺寸仅为10μm时,以足够的精度加工和放置非常具有挑战性。

还有一些与LED芯片相关的问题要克服。当其尺寸非常小时,其性能会受到与表面和内部缺陷(例如开放式粘合、污染和结构损坏)相关的侧壁效应的影响。这些缺陷导致非辐射载体重组加速。侧壁效应可以延伸到类似于载体扩散长度的距离(通常为1mm至10mm):这在传统的LED中并不重要,因为其具有数百微米的边缘,但在microLED中却是十分致命的。在这些设备中,它可以限制芯片整个体积的效率。

由于这些缺陷,microLED的峰值效率通常低于10%,当设备尺寸低于5mm时,它的峰值效率可能小于1%,这远远低于目前最好的传统蓝光发射的‘macro’ LED,它现在可以产生超过70%的外部量子峰值效率。

更糟的是,microLED通常必须以非常低的电流密度运行。它们通常在低于1-10 A cm-2峰值效率区域驱动,因为即使在这种低效率下,LED也是非常明亮的。如果一台带microLED的手机以其最高效率运行,其显示屏将提供高达数以万计nits的亮度,比目前市场上更亮的手机高出一个级别。屏幕会很亮,以至于胆大的用户都不敢看。

当LED以非常低的电流密度工作时,它们的效率非常低,使得该技术不能实现其削减能量消耗的承诺。因此,解决这个问题就成为microLED公司的优先事项。提高效率的办法包括引入新的芯片设计和改进制造技术。这两种方法都可以减少侧壁缺陷并使电载体远离芯片的边缘。

microLEDs的开发人员也面临与色彩转换、光提取和光束成形有关的挑战。

现代显示屏的另一个要求就是消除坏点或有缺陷的像素。在外延、芯片制造和转移方面实现100%的综合收益率是不太可能的,所以microLED显示器制造商必须制定有效的缺陷管理策略,可以包括像素冗余和单个像素修复,这得取决于显示器的特性和成本。

目前MicroLED最容易实现的领域

MicroLED能够部署在从最小到最大的任何显示应用中。在许多情况下,它们将比LCD和OLED显示器的最终组合更好。但是,生产可行性和经济成本限制了其使用。然而,详细的分析表明,智能手表和其他可穿戴产品,如AR / MR应用的微型显示器,最能显示microLED显示器的性能。

其中,在智能手表上实现microLED是最有可能的,因为智能手表具有相对较少的像素数和中等范围的像素密度,因此,芯片和组装成本效率高,也最接近microLED当前技术发展的状态。它们具有潜在的差异化功能,包括能够延长电池寿命、降低功耗以及更高的亮度,从而提供户外环境下良好的可读性。

如果这些显示器开始大量出现,那么在显示器前端平面内可引入各种传感器,例如可以读取指纹并提供手势识别。

microLED的另一个主要机会就是增强现实(AR)和混合现实(MR)的头戴式显示器。在虚拟现实中,用户佩戴完全封闭的头戴式显示器将其与外界视觉隔离;而AR和MR应用则将计算机生成的图像覆盖到现实世界中。

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▲ MicroLED显示器是通过将晶片切割成微小器件,并以并行拾取和放置技术将其转移到晶体管底板。

这些应用的要求之一是,覆盖的图像要足够亮,可与环境光竞争,特别是在户外应用中。

为了满足这些条件,显示器必须放在不引人注意的位置,使用光学效率小于10%的复合投影或波导光学器件将图像投影到眼睛上。这些要求决定了显示器的亮度范围从10,000到50,000 Nits,这比市场上最好的手机的亮度高出10倍到50倍。

今天,microLED是唯一有潜力提供这些亮度水平的候选,同时保持合理的功耗和紧凑性。令人鼓舞的是,同样的推理可以应用于汽车和其他环境中的平视显示器中 - 这类显示器可以被认为是AR的一种形式。

microLED想努力产生影响的市场就是智能手机。目前,OLED显示器已经以非常有竞争力的成本提供了非常出色的性能。如果microLED也参与其中,则子像素的尺寸必须减小到几微米,这样的话,提供可接受的效率会更难。在电视上取得成功则可能更容易。在这种情况下,缺点是像素密度相对较低,在4K、55英寸电视中的间距约为100毫米。低密度阻碍了转移技术的效率,因为每个周期需要移动数千个芯片,而智能手机或智能手表则是数十万个。想在这个市场上蓬勃发展,就需要开发替代的高效率装配技术。

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