Micro LED技術雖可應用在AR、VR、智能手表為代表的小尺寸可穿戴設備領域,但目前實際應用案列少之又少。以AR眼鏡為例,據不完全統計,2022年應用Micro LED技術眼鏡僅有3款,分別是李未可的Meta Lens、Vuzix的Shield和Tooz的 ESSNZ Berlin智能眼鏡。
雖較Micro OLED技術有更明顯的優勢,但Micro LED微顯示應用之路并不順暢。歸根到底,問題仍是Micro LED技術發展較緩慢,制造工藝尚不成熟,產品成本、質量與紅光芯片效率問題依舊存在,全彩化、近眼高分辨率顯示效果難以實現,因此目前Micro LED無法在微顯示領域大規模應用。
盡管如此,對于Micro LED技術的研發,LED企業與學術界從未停止,通過探索不同技術方案,逐步完善Micro LED技術,加速縮短Micro LED在微型顯示領域的應用進程。
近日,以麻省理工為首的研究團隊,在全彩疊層結構Micro LED(Stacked RGB Micro LED)方面的研究有新突破。未來,該方案或成為影響Micro LED微型顯示應用發展的關鍵因素。
該研究團隊開發了全彩垂直疊層結構的Micro LED,分辨率高達5100PPI,尺寸僅為4μm,號稱是目前所知擁有最高陣列密度和最小尺寸的Micro LED。產品高分辨率和極小尺寸的特點,適配了近眼微顯示電子設備的應用需求。
該研究成果進一步推動了疊層式結構Micro LED的發展應用,也再度引起了LED行業對這一技術方案的關注。
具體來看,該方案的特別之處在于,相較傳統平行排列結構的RGB Micro LED芯片所形成的單個像素,疊層排列方案的應用可在縮小顯示模組尺寸的同時,提高Micro LED顯示器的畫質與生產效率。
詳細來說,疊層結構使單個像素占用的空間更少,因此在單位面積內可實現更高的像素密度,從而滿足微顯示設備對小尺寸、高清分辨率顯示模組的應用需求。
在生產方面,由于疊層式結構的應用,RGB三色芯片集成于單一芯片上,使Micro LED芯片轉移至基板的時間縮短,放置精度獲得提高,從而優化了Micro LED顯示器的生產效率與成本。
由于結構的轉變,Micro LED的生產和應用獲得了更多可能性,因此近年來,陸續有國內外企業與高校、科研單位參與到疊層式結構Micro LED的研究里,推動該技術持續進步。
據LEDinside不完全統計,首爾偉傲世、Lumens、Sundiode、諾視科技等國內外LED企業,以及國內的清華大學研究團隊在近年均參與到疊層式Micro LED的研究當中:
2022年,首爾偉傲世展示了WICOP Pixel全彩單芯片顯示技術,其特點是無需引線、封裝與透鏡結構,并通過垂直疊層的方式放置紅、綠和藍光(R/G/B)三顆Micro LED芯片。
WICOP Pixel技術的應用,將Micro LED顯示屏生產工序減少到三分之一,并提高了Micro LED的良率,降低了制造成本,同時還把Micro LED的發光面積縮小到現有平面結構產品的三分之一,獲得了深黑的顏色和清晰圖像。
今年2月,首爾偉傲世展示了基于 WICOP Pixel技術的Micro LED顯示屏,亮度提高到了4000nits,將Micro LED的應用范圍擴大到包括 AR、VR在內的元宇宙領域。
今年初,韓國LED開發商Lumens宣布,已開發用于Micro LED生產的RGB外延片Monolithic,單個外延片產品是由RGB三光色外延片堆疊而成。在紅光 LED材料上,Lumens改用與藍光、綠光相同的氮化銦鎵材料,更易于疊層式芯片的加工與生產。
2021年4月,美國Micro LED微顯示公司Sundiode公布了其專有的堆疊式RGB Micro LED像素技術,可將單晶圓上的疊層式RGB Micro LED像素陣列直接接合到硅基CMOS背板上。
同年11月,Sundiode展示了疊層式RGB Micro LED全彩顯示器,采用主動矩陣硅基CMOS背板驅動技術,Micro LED芯片尺寸為100μm,顯示器尺寸為15.4mm×8.6mm,分辨率為200PPI。
2023年初, Sundiode與GaN技術開發商Soft-Epi,共同實現在單個藍寶石晶圓上生長單片全InGaN RGB LED結構。
2022年底,國內Micro LED技術開發商諾視科技成功點亮0.39英寸的Micro LED微顯示屏,產品采用WLVSP(Wafer Level Vertically Stacked Pixels,晶圓級垂直堆疊像素)技術方案開發。
2021年5月,清華大學電子工程系研究團隊開發了基于疊層式紅、綠、藍三色(RGB)的Micro LED器件陣列設計。
通過外延剝離和轉移印刷的方法,將基于不同無機III-V族單晶半導體結構的薄膜式Micro LED,包括銦鎵磷基(InGaP)紅光LED、銦鎵氮基(InGaN)綠光和藍光LED(尺寸~100μm²,厚度~5μm)異質集成,形成垂直堆疊結構。同時,通過設計具有波長選擇透過的光學薄膜作為Micro LED之間的界面層,提高了器件的發光效率和輻射性能。
與傳統并排放置的RGB器件結構相比,在同等器件尺寸下,疊層結構比并排結構可將顯示分辨率提升三倍,不僅提高了器件的發光性能,也降低了制備過程中對加工精度的要求。
2021年,韓國半導體設備廠Youngwoo DSP獲得政府項目,負責開發基于超小RGB堆疊層的新型Micro LED制造技術,項目持續至2024年底。Youngwoo DSP表示,這項技術有助于提高巨量轉移的對準精度、提升像素點密度,同時還能節省制造時間、降低成本。產品可應用到智能手表、汽車以及AR設備等。
2020年,韓國科學技術院(KAIST)的研究團隊開發了一種生產高分辨率Micro LED顯示器的方法。團隊將紅綠藍LED有源層堆疊在3D空間之后使用半導體圖案化工藝,并通過具有濾光片特性的絕緣膜,消除紅、藍光色干擾。最終,顯示器擁有每英寸超過6萬像素的高分辨率。
可以看到,近年來,通過對疊層式結構的研究,企業與高校提升了Micro LED微顯示器的亮度與分辨率,推動了全彩高清Micro LED微顯示器的發展。
面對Micro LED現存的關鍵技術問題,疊層式結構提供了可行的解決方法,為擴大Micro LED技術在AR/VR等微顯示領域的應用,開辟了一條新的技術路徑。
然而,在解決傳統結構現有問題的同時,疊層式Micro LED方案也帶來了新的技術難題。
Micro LED技術廠商Porotech曾指出,疊層式結構意味著三種顏色的光將從顯示器的不同高度射出,會導致光學設計的復雜化,同時也對LED之間的間距精準度及結構中不同層的對準精度提出了更高的要求。
另外,堆疊式RGB LED產生的顏色干擾、微小像素的發光效率低、紅光材料的適配性和效率等都是方案應用時所要面臨的問題。
TrendForce集邦咨詢分析師則表示,疊層式Micro LED芯片技術目前均處在開發階段,因量產技術能力不足,尚未運用在穿戴顯示器上。
盡管并無實際微顯示產品應用,但上述企業與高校紛紛看好疊層式技術,認為方案可加速Micro LED在AR/VR等領域的發展。
因此,相信未來對于疊層式Micro LED技術的研究不會停止。隨著蘋果、三星等終端龍頭企業在Micro LED技術上持續加碼布局,包含疊層式結構在內的Micro LED技術方案研究或被迅速推進,成為探索Micro LED商業化路上的重要一環。
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