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      文章原本是课程小论文，當初寫時确切不容易，完美至今已较為周全。資料為各方收集收拾而来，在末端处有注明，但愿作為同窗们深刻钻研Micro-LED以前一個较為周全的科普文章。若有不妥的地方，请大师斧正。末端注释不免有疏漏，文字论述不免有類似，若有侵权，请接洽我删除。


1、甚麼是Micro-LED？

Micro-LED，顾名思义，就是出格小的LED。

在1990年月顯示TFT-LCD背光模组起頭蓬勃成长時，有部門廠商看中LED具备高色采饱和度、省電、浮滑等特色，将LED用作背光源顯示技能。但是因LED本钱太高、散热欠安、光電效力低等身分，LED技能在那時并无获得较大的成长。

直到淡水抽化糞池,2000年，蓝光LED芯片刺激荧光粉制成白光LED技能的制程、效能、本钱起頭逐步成熟；當進入2008年，白光LED背光模组顯現暴發性的發展，几年間几近周全代替了冷阴极荧光燈管，其利用范畴有手機、平板電脑、笔電、台式顯示器甚至電視等等。

與此同時，因TFT-LCD非自觉光的顯示道理而至，其opencell穿透率约在7%如下，造成TFT-LCD的光電效力低沉；且白光LED所能供给的色饱和度仍不如三原色LED，大部門TFT-LCD產物约仅72%的NTSC尺度色域，没法表示出杰出的色采顯示能力；别的，TFT-LCD没法供给足够的亮度顯示能力，导致在室外情况下的影象和色采辨識度低，為其一大利用缺點。LCD的各種缺點培養了另外一種直接操纵三原色LED做為自觉鲜明示點劃素的LED Display或Micro LED Display的技能的蓬勃成长。

Micro-LED又称微型發光二极管，是指高密度集成的LED阵列，阵列中的LED像素點間隔在10微米量级，每個LED像素都能自觉光。得益于新一代的顯示技能——Micro-LED技能，即LED微缩化和矩阵化技能。指的是在一個芯片上集成的高密度细小尺寸的LED阵列，如LED顯示屏每個像素可定址、零丁驱動點亮，可當作是户外LED顯示屏的微缩版，将像素點間隔从毫米级低落至微米级。该技能将傳统的无機LED阵列细小化，每一個尺寸在10微米尺寸的LED像素點都可以被自力的定位、點亮。也就是說，本来小間距LED的尺寸可進一步缩小至10微米量级。Micro-LED的顯示方法十分直接，将10微米标准的LED芯片毗连到TFT驱動基板上，从而實現對每一個芯片放亮光度的切确节制，進而實現圖象顯示。

而Micro LED display，则是底层用正常的CMOS集成電路制造工艺制成LED顯示驱動電路，然後再用MOCVD機在集成電路上建造LED阵列，从而實現了微型顯示屏，也就是所說的LED顯示屏的缩小版。

2、Micro-LED的道理？

同LED同样，MicroLED典范布局是一個半导體器件，由直接能隙半导體質料组成。半导體晶片由两部門構成，一部門是P型半导體，在它内里空穴占主导职位地方，另外一端是N型半导體，在這邊主如果電子。但這两種半导體毗连起来的時辰，它们之間就構成一個P-N结。當電畅通过导線感化于這個晶片的時辰，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴复合，然後就會以光子的情势發出能量。Micro-LED光谱主波长度约為20nm的紫外光，可供给极高的色饱和度。

顯示器晶片概况必需建造成犹如LED顯示器般的阵列布局，且每個點劃素必需可定址节制、零丁驱動點亮。若透过互补式金属氧化物半导體電路驱動则為自動定址驱動架構，MicroLED阵列晶片與CMOS間可透过封装技能。

黏贴完成後Micro LED能藉由整合微透镜阵列，提高亮度及比拟度。Micro LED阵列經过垂直交织的正、负栅状電极保持每颗Micro LED的正、负极，透过電极線的依序通電，透过扫描方法點亮Micro LED以顯示影象。

相较傳统的LED顯示器件，新型Micro-LED从原本的300-1000微米的典范尺寸缩小到1-100微米，使之在等同面积的芯片上可以得到更高的集成数目。因LED自觉光的顯示特征，极大地提高了Micro-LED地光電轉换效力，可以實現低能耗或高亮度的顯示器設計。

如许可解决今朝顯示器利用的两大問题，一是穿着型装配、手機、平板等装备的80%以上的能耗在于顯示器上，低能耗的顯示器技能可供给更长的電池续航力；二是情况光较强导致顯示器上的影象泛白、辨識度变差的問题，高亮度的顯示技能可以使其利用的范围加倍宽阔。

3、Micro-LED的工業實現？

Micro-LED是将LED布局設計举行薄膜化、细小化、阵列化，其尺寸仅在1-100μm品级摆布；後将Micro-LED批量式轉移至電路基板上，其基板可為硬性、软性之透明、不透明基板上；再操纵物理沉积制程完成庇护层與上電极，便可举行上基板的封装，完成一布局简略的Micro-LED顯示。

對付Micro-LED的工艺問题，不少人認為，可以从傳统LED屏中摄入履历。可是，Micro-LED與傳统led顯示產物不同庞大。與傳统LED顯示屏比力，Micro-LED的不同重要在于：1．紧密水平数十倍的晋升；2．集成工艺从直插、表贴、COB封装等酿成了“巨量微轉移”；3．缺點可修复性几近為零；4．背板从印刷電路板，酿成了液晶和OLED顯示所利用的TFT基板，或CPU與内存所采纳的单晶硅基板。即與傳统LED顯示屏比力，Micro-LED在晶粒、封装、集成工艺、背板、驱動等每個方面都纷歧样。

如下咱们對Micro-LED制造工艺分步调举行會商：

第一 LED晶體薄膜化、细小化、阵列化——微缩制程技能

今朝對付半导體與芯片的制程微缩今朝已到极限，而在制造上的微缩却還存在至關大的成漫空間，對付Micro-LED制程上，今朝重要顯現分為三大種類：Chip bonding（芯片级焊接）、Wafer bonding（外延级焊接）和Thin film transfer薄膜轉移）

Chip bonding（芯片级焊接）

将LED直接举行切割成微米品级的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板)，操纵SMT技能或COB技能，将微米品级的Micro LED chip一颗一颗键接于顯示基板上。长处在于可以调理轉移間距，但不具备批量轉移能力。

SMT技能（概况贴装技能）是電子组装行業里最風行的一種技能和工艺。它是一種将无引脚或短引線概况组装元器件（简称SMC/SMD，中文称片状元器件）安装在印制電路板（Printed Circuit Board，PCB)的概况或其它基板的概况上，經由过程再流焊或浸焊等法子加以焊接组装的電路装连技能。重要工艺步调有来料检测 => PCB的A面丝印焊膏（點贴片胶）=> 贴片 =>烘干（固化）=>回流焊接 => 洗濯 => 插件 => 波峰焊 => 洗濯 => 检测 => 返修。

COB(Chip On Board)：小間距顯示技能，即直接将LED發光晶元封装在PCB電路板上，并以CELL单位组合成顯示器的技能方法。咱们将COB封装技能與SMT的子類傳统的SMD技能举行比拟。

Wafer bonding（外延级焊接 ）

在LED的磊晶薄膜层上用感到耦合等离子离子蚀刻(ICP)，直接構成微米品级的Micro-LED磊晶薄膜布局，此布局之固定間距即為顯示画素所需的間距，再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱動電路基板上，最後利用物理或化学機制剥离基板，仅剩4~5μm的Micro-LED磊晶薄膜布局于驱動電路基板上構成顯示劃素。长处是具备批量轉移能力，可是不成以调理轉移間距。

感到耦合等离子體刻蚀技能的道理是通入反响气體利用電感耦合等离子體辉光放電将其分化，發生的具备强化学活性的等离子體在電場的加快感化下挪動到样品概况，對样品概况既举行化学反响天生挥發性气體，又有必定的物理刻蚀感化。由于等离子體源與射频加快源分手，以是等离子體密度可以更高，加快能力也能够增强，以得到更高的刻蚀速度，和更好的各向异性刻蚀。重要用于刻蚀Si基質料，Si，SiO2，SiNx，低温深Si刻蚀等，遍及利用于物理，生物，化学，質料，電子等范畴。

将發展的外延层从基板上剥离和轉移，這容许高度不匹配的質料體系的异質集成。Lift off法子可以或许将epilayer轉移到任何的衬底上，而且若是衬底在lift off進程中没有毁坏，昂贵的衬底還可以频频利用，从而低落器件出產的总本钱。跟着异質質料异質集成需求的不竭增加，各類分歧的lift off技能获得了成长，包含epitaxial lift-off (ELO)、機器剥离、laser lift-off和二维(2D)質料辅助层轉移(2DLT)等。出格是2DLT必要怪异的外延技能，如遠端外延或范德华(van der Waals, vdW)外延，使单晶薄膜在二维質料上發展，在较弱的vdW界面上轻易脱落。

激光剥离技能經由过程操纵高能脉冲激光束穿透蓝宝石基板，光子能量介于蓝宝石带隙和GaN带隙之間，對蓝宝石衬底與外延發展的GaN質料的交壤面举行平均扫描；GaN层大量吸取光子能量，并分化構成液态Ga和氮气，则可以實現Al2O3衬底和GaN薄膜或GaN－LED芯片的分手，使得几近可以在不利用外力的环境下，實現蓝宝石衬底的剥离。

機器剥离是一種在微米厚度范畴内制造薄膜的法子，是一種相對于粗拙的额工艺，它發生的薄膜厚度在几百纳米到几微米范畴内。

2DLT技能操纵了vdWE和外延技能的长处来天生free-standing单晶膜。這類法子是經由过程vdWE和外延與二维質料辅助轉移技能相连系實現的，此中二维質料的弱vdW连系促成了外延發展薄膜从衬底上剥离，在剥离後留下一個原始的概况。

Thin film transfer（薄膜轉移）

利用物理或化学機制剥离LED基板，以一临時基板承载LED磊晶薄膜层，再操纵感到耦合等离子离子蚀刻，構成微米品级的Micro-LED磊晶薄膜布局；或，先操纵感到耦合等离子离子蚀刻，構成微米品级的Micro-LED磊晶薄膜布局，再利用物理或化学機制剥离LED基板，以一临時基板承载LED磊晶薄膜布局。最後，按照驱動電路基板上所需的顯示画素點間距，操纵具备選擇性的轉移治具，将Micro-LED磊晶薄膜布局举行批生髮精油,量轉移，链接于驱動電路基板上構成顯示画素。此法子本钱低，對顯示基板尺寸无穷制，具备批量轉移能力。

最後，按照驱動電路基板上所需的顯示劃素點間距，操纵具备選擇性的轉移治具，将Micro LED磊晶薄膜布局举行批量轉移，键接于驱動電路基板上構成顯示劃素。

所用到的详细技能同上。

第二批量轉移至電路基板——巨量轉移技能

Micro-LED本色上可以看做将LED器件举行数百倍甚至数千倍的缩小，以使更多更小的Micro-LED的發光集成在等同面积的芯片上。以是在工業上實現Micro-LED的技能瓶颈就在于此。這就触及到一種其他電子行業几近都不會用到的高难度工艺——“巨量微轉移”（也叫巨量轉移）技能。“巨量轉移”是一個甚麼技能呢？简略說就是在指甲盖巨细的TFT電路基板上，依照光学和電气学的需要規范，平均焊接数目告竣百上千個，乃至更多红绿蓝三原色LED细小晶粒，且對容许的工艺失败率有着极其刻薄的请求。只有到达如许水平工艺的一個產物，才能真正利用到現實產物中来。、

今朝看来，“巨量轉移”都仍是一個“量產前”技能，為了實現“巨量轉移”的方针，市道市情上一些至關纷歧样的技能。如今总结以下：

如上圖所示，今朝按照已有的資料查询拜访顯示，巨量轉移技能依照道理的纷歧样，重要分為四個門户：精准抓取，自组装，選擇性開释和轉印技能。

1.Pick&Place技能

● 采纳范德华力

以下為X-Celeprint的Elastomer Stamp技能，這属于pick&place阵营的范德华力派。其采纳高精度节制的打印頭，举行弹性印模，操纵范德华力讓LED黏附在轉移頭上，然後安排到方针衬底片上去。今朝采纳的弹性體（Elastomer）通常為PDMS。X-Celeprint也称其技能為Micro-Transfer_Printing（μTP)技能。

要實現這個進程，對付source基板的处置至關關頭，要讓制备好的LED器件能顺遂地被弹性體質料（Elastomer）吸附并离開源基底，先必要經由过程处置LED器件下面顯現“镂空”的状况，器件只經由过程锚點（Anchor）和断裂链（Techer）固定在基底上面。當喷涂弹性體後，弹性领會與器件經由过程范德华力连系，然後将弹性體和基底分手，器件的断裂链產生断裂，所有的器件则依照本来的阵列排布，被轉移到弹性體上面。建造好“镂空”，“锚點”和“断裂點”的基底見下圖所示。

● 采纳磁力

操纵磁力的道理，是在LED器件中混入铁钴镍等質料，使其带上磁性。在抓取的時辰，操纵電磁力节制，到达轉移的目标。

● 采纳静電力

Luxvue是苹果公司在2016年收購的創業公司。其采纳的是静電力的peak-place技能。其详细的實現细节我没有查到，只有以下的两個專利也许能透漏出其细节的片纸只字。但愿後面能获得更多的细节。采纳静電力的方法，一般采纳具备双极布局的轉移頭，在轉移進程中散布施加正负電压，當从衬底上抓取LED時，對一硅電极通正電，LED就會吸附到轉移頭上，當必要把LED放到既定位置時，對此外一個硅電极通负電，轉移便可完成。

2.自组装技能

起首，其将LED外表包覆一层热解石墨薄膜，安排在磁性平台，在磁場指导下LED将快速分列到定位。采纳這類方法，應當是先會处置磁性平台，讓磁性平台能有設計好的阵列散布，而朋分好的LED器件，在磁場的感化下能快速實現定位，然後仍是會經由过程像PDMS一類的中心介質，轉移到方针基底上去。這類技能方法的益处有以下：

防止對源基板的器件举行繁杂的布局設計去顺應巨量轉移工艺。

由于LED會批量切割，是以可以在轉移進步行挑選，先去除分歧格的LED。

采纳磁性自组装，估计時候會加倍快速。

源基板不必要过量斟酌方针基板的現實阵列排布，預期可以有更大的設計空間。

3.選擇性開释技能

經由过程激光束對源基底的快速扫描，讓其直接离開源基板而集成到方针基板上。對付這類技能的遠景，今朝依然必要更多技能细节的支撑。

4. 轉印技能

以下為KIMM公司的轉印技能技能，轉印技能經由过程滚輪将TFT與LED轉移到玻璃基底上面。對付這類技能，技能难度看起来很是大，出格是在于若是包管出產良率上面。

      别的：在現今寻求色采化和高辨别率高比拟率、用户對屏幕的顯示能力愈来愈刻薄的严重趋向下，Micro-LED的彩色化是一個首要的钻研标的目的。如下将對當前首要的几種Micro-LED的彩色化實現方法加以會商，包含RGB三色LED法、UV/蓝光LED 發光介質法、光学透镜合成法

4、Micro-LED利用遠景若何？

Micro-LED具备高解析度、低功耗、高亮度、高比拟、高色采饱和度、反响速率快、厚度薄、寿命长等特征，功率损耗量可低至LCD的10%、OLED的50%，是業界台灣運動彩券首頁，等待的下一代顯示技能。今朝若是斟酌現有技能能力，Micro-LED有两大利用标的目的，一是可穿着市場，以苹果為代表。二是超大尺寸電視市場，以Sony為代表。

OLED和Micro LED比拟LCD在各個功效性指标方面（PPI、功耗、亮度、薄度、顯色指数、柔性面板顺應度）都有顯著上風，固然LCD面板應历時間较长，供给链成熟度较高，有代价上風，但在未来必會被OLED和Micro LED替换。

OLED和Micro LED都是面向将来的顯示技能，二者从工業實践的角度来看有不小的差距，Micro LED在機能上優于OLED。Micro LED是将微米品级的Micro LED巨量轉移到基板上，雷同微缩的户外LED顯示屏，每個Micro LED都定址而且可以零丁驱動點亮，相较OLED加倍省電，反响速率更快，OLED比LCD更薄、顯示更清楚，但若要省電，得低落高亮度顯示和白色画面，視觉表示會遭到影响。Micro LED技能上已冲破了OLED的局限，亮度和饱和度比拟之下都更高。别的OLED質料是有機發光二极管，在利用寿命上自然没法與Micro LED等有機發光二极管比拟，在必要使历時候命的利用范畴，如汽车昂首顯示、大型屏幕投影等方面Micro LED更具竞争力。

从短時間来看Micro-LED市場集中在超小型顯示器，从中持久来看，Micro-LED的利用范畴很是遍及，横跨穿着式装备、超大室内顯示屏幕外，頭戴式顯示器（HUD）、昂首顯示器（HUD）、车尾燈、无線光通信 Li-Fi、AR/VR、投影機等多個范畴。今朝，AR/VR市場渐渐扩展，對付面板的请求也愈来愈高，旧有的LCD顯示器和OLED顯示器已跟不上愈来愈高的市場需求。跟着這類需求越發急迫，廠商们势必會寻觅新的屏幕顯示技能来替换現有的LCD或是OLED顯示器，而這類新技能Micro-LED刚好能知足请求。

作為一種新的顯示技能，Micro-LED成长速率到底有多快，成长标的目鶯歌抽化糞池,的若何，這場顯示范畴的革命又可以或许什麼時候掀起，讓咱们拭目以待！

参考資料：

1.维基百科：MicroLED

2.《下一代顯示技能Micro LED深度解密》：

3. Hyun Kum, et al., Nature Electronics, 2019, 2, 439–450

4. 《用于光電子器件質料异質集成的外延發展和层轉移技能》：bb體系课程資本

5.《一文览尽用于光電子器件質料异質集成的外延發展和层轉移技能》

6. Rogers, J. A., et al. (2011). Unusual strategies for using indium gallium nitride grown on silicon (111) for solid-state lighting, PNAS

7.《Micro LED巨量轉移技能》