前不久，我們談到了miniLED，提過(guò)miniLED至少現階段都還是一種LCD液晶顯示技術(shù)的組成部分。雖然不少LED供應商會(huì )將miniLED/microLED一起談，但這兩者本質(zhì)上還是存在相當大的差異的。

從大方向來(lái)看，最為傳統的LCD液晶顯示屏的層級結構中，有個(gè)背光層——有了這層背光層，LCD屏才會(huì )亮起各種色彩。如果背光層的LED芯片做得很小，比如像今年的12.9寸iPad Pro那樣，背光層由超過(guò)10000枚LED構成，那么我們就說(shuō)這種屏幕應用了miniLED技術(shù)。如果LED做得更小，小于50μm，做到像素級別的尺寸，那么這種LED就叫microLED了。

不過(guò)當背光層的每顆LED芯片都對應一個(gè)像素時(shí)，那么傳統的液晶結構也就可以被推翻了。在發(fā)光原理上，一般定義中的microLED屏幕會(huì )更靠近OLED屏幕，每個(gè)像素也可以算是“自發(fā)光”了，但背光并不是有機材料。而且在面板結構上，microLED也做得更簡(jiǎn)化了。所以microLED屏既不是LCD（因為不再包含液晶層），也不是OLED（因為不采用有機發(fā)光材料），這是它有別于miniLED的重要原因（雖然單就LED的角度來(lái)看，也只是LED做得更?。?。

由于更簡(jiǎn)單的結構，非有機發(fā)光材料，以及每個(gè)像素都能控制發(fā)光與否，microLED幾乎集合了LCD與OLED的各種優(yōu)點(diǎn)，并規避了兩者的各種缺點(diǎn)，比如屏幕亮度可以做到很亮，但對比度又可以很高，壽命還可以很長(cháng)。聽(tīng)起來(lái)是相當美好的解決方案。但由于LED芯片本身尺寸的縮減，帶來(lái)顯示屏幕結構上的顯著(zhù)變化，隨之而來(lái)的是難度更高的制造工藝和顯示相關(guān)的價(jià)值鏈變化。

去年我們在采訪(fǎng)默克中國總裁兼默克中國高性能材料事業(yè)部執行副總裁安高博的時(shí)候，他曾提到過(guò)，“半導體、顯示兩者在加速出現融合?！薄拔覀兛吹斤@示企業(yè)，他們需要去懂半導體，了解半導體；半導體企業(yè)也更多依賴(lài)于顯示技術(shù)的進(jìn)步?！薄癿icroLED的生產(chǎn)工藝就和傳統不大一樣，它更靠近半導體技術(shù)?！?/span>

默克是作為顯示材料供應商談到的這一點(diǎn)，事實(shí)上除了LED芯片本身的尺寸縮減，業(yè)界的小型microLED屏幕在背板（backplane）部分也更傾向于采用CMOS技術(shù)，而不再是傳統意義上我們對顯示面板所知的TFT（如非晶硅、LTPS-低溫多晶硅等）。這應該是安高博提到的半導體與顯示兩者加速融合的重要表現。這一點(diǎn)實(shí)際上也可能造成顯示行業(yè)價(jià)值鏈的劇烈變動(dòng)——只不過(guò)當前microLED要實(shí)現大規模量產(chǎn)，仍有比較遙遠的路要走。

本文就嘗試從大方向的角度來(lái)談?wù)?，這種未來(lái)向的顯示技術(shù)究竟為什么神秘，有哪些挑戰，以及相比LCD和OLED又有哪些優(yōu)勢。

上百萬(wàn)美元的電視，你能承受嗎？

談屏幕顯示的優(yōu)勢，無(wú)非也就是考察亮度、對比度、色域、壽命、響應時(shí)間、功耗等維度。此前京東方在公開(kāi)演講中曾總結過(guò)一張表格（如圖2所示）。雖然我們認為其中的部分參數可能是有待商榷的，但理論上microLED在各方面都能表現出碾壓當代顯示技術(shù)的優(yōu)勢，其中的很多都是人們對顯示技術(shù)夢(mèng)寐以求的，包括高出幾個(gè)數量級的亮度。這里還有一些未總結的來(lái)自microLED技術(shù)的優(yōu)勢，包括可視角、ppi（像素密度）等。

不過(guò)其中的有些參數停留在理論階段，比如說(shuō)EQE（external quantum efficiency，外量子效率）和功耗。從理論上來(lái)說(shuō)，microLED在這兩個(gè)參數上也有顯著(zhù)優(yōu)勢。傳統藍色LED的EQE可以達到80%；在實(shí)際操作中，如果這種藍色LED的尺寸縮減到5-10μm，則EQE將≤20%；而且因為側壁缺陷效應（sidewall defects effect）的存在，現階段microLED實(shí)際的功耗表現也差于OLED/LCD。但這些都可以理解為技術(shù)在新生階段遭遇工程層面的問(wèn)題。

在談microLED的結構和原理之前，我們先來(lái)談?wù)勥@項技術(shù)現階段的市場(chǎng)發(fā)展情況，對于microLED離大規模量產(chǎn)可能還有多遠的路這個(gè)問(wèn)題至少有個(gè)大致的概念。

microLED發(fā)展道路上比較具有代表性的事件是2014年蘋(píng)果收購LuxVue——這就直接刺激了行業(yè)對于microLED技術(shù)的熱情，雖然microLED在科研領(lǐng)域的出現甚至可以追溯到2000年前后；2016年，Oculus收購InfiniLED，并且與Plessey達成協(xié)議準備開(kāi)發(fā)microLED AR顯示技術(shù)；2017年，夏普與富士康投資eLux。不久后谷歌對microLED公司Glo AB做出投資，Intel則開(kāi)始對Alidia做出投資；三星與晶元光電、錼創(chuàng )科技合作預備生產(chǎn)miroLED電視。

在上篇介紹miniLED的文章中，我們也談到了顯示行業(yè)上下游，尤其中國面板、LED芯片制造商等對于microLED技術(shù)的大量投入——microLED對于顯示行業(yè)的革新，甚至被視為中國企業(yè)在這一領(lǐng)域成為業(yè)界老大的機會(huì )。

在具體的產(chǎn)品上，有企業(yè)在一些展會(huì )上將自家的microLED產(chǎn)品或技術(shù)做展示。只不過(guò)這些基本屬于亮肌肉的常規操作。比如說(shuō)2018年三星曾演示過(guò)一款宣稱(chēng)應用了microLED技術(shù)的146寸/219寸電視，名為T(mén)he Wall，不過(guò)其LED芯片尺寸嚴格意義上已經(jīng)大到不能算做microLED了，且報道中146寸版的價(jià)格高于10萬(wàn)美元。

索尼更早的應用了microLED技術(shù)的CLEDIS面板電視則在當時(shí)報道的售價(jià)超過(guò)了100萬(wàn)美元（2016年索尼宣布的220寸4K CLEDIS電視報價(jià)1.2億日元）。這兩年SID之類(lèi)的展會(huì )上，一些主要的面板制造商普遍都會(huì )展出自家的microLED產(chǎn)品，且都有某種microLED技術(shù)“首發(fā)”的名號，包括中國大陸的天馬、京東方、維信諾、臺灣的友達光電等企業(yè)都有這方面的動(dòng)作，作為搶占展會(huì )C位的組成部分。

但microLED的應用，可能遠超預期

有關(guān)microLED成本為何這么高的問(wèn)題，下文將會(huì )花篇幅探討。在理解microLED高成本和難以量產(chǎn)的問(wèn)題之前，還是先來(lái)看看這項技術(shù)的實(shí)際吸引力在哪兒，將前文提到的這些顯示參數轉為應用后，microLED具體能干什么。microLED的應用前景，是值得花大篇幅探討的，這里我們只能簡(jiǎn)單地談一談。

就大方向來(lái)看，microLED可替代LCD、OLED，占據所有的顯示應用如AR/VR、可穿戴、手機、汽車(chē)、筆記本電腦、電視。不過(guò)microLED的技術(shù)特性，又決定了它有著(zhù)更大的應用外延。這里我們不著(zhù)重探討microLED在普通照明（如健康醫療領(lǐng)域微型化的光電鑷子、光學(xué)耳蝸植入）、VLC（可見(jiàn)光通訊）等方面的應用，而關(guān)注它在顯示方面的應用。

首先在高ppi（每英寸的像素數量）方面，雖然如今高端手機的像素密度早就來(lái)到了500ppi左右，但AR/VR對于像素密度仍然有著(zhù)不小的追求，尤其在高于1000ppi的需求方面，microLED有著(zhù)得天獨厚的優(yōu)勢，畢竟它可以很小。加上AR/VR在顯示亮度、對比度、響應時(shí)間方面的要求，microLED能夠讓AR/VR的體驗上升一個(gè)臺階。

在A(yíng)R/VR應用上，LCD的光學(xué)層級結構顯得太過(guò)復雜，因此存在著(zhù)較大程度的光和系統層面的損失與缺陷；而OLED則受限于有機材料發(fā)光特性，亮度本身就比較低。microLED則如前文所述，克服了兩位前輩的缺陷，在結構和材料層面碾壓LCD和OLED；雖然其EQE數值現階段仍然不是很好看。

另外由于客觀(guān)制造條件和成本的限制（主要是在mass transfer制造階段，以及高電流密度更少受到側壁缺陷的影響），AR/VR、可穿戴設備、投影機等會(huì )成為microLED率先登場(chǎng)的應用——它們對于高ppi有著(zhù)更天然的需求，microLED因此成為這些應用的絕對優(yōu)選。

此外，microLED在制造柔性屏、折疊屏、透明屏方面有著(zhù)更天然的優(yōu)勢。從直覺(jué)來(lái)看就不難理解，更微小的microLED稀疏地排布于透明基板上，在大屏更低ppi的情況下，對于透明屏、柔性屏的制造自然更有價(jià)值。不僅是透明電視，汽車(chē)前擋風(fēng)玻璃HUD透明顯示之類(lèi)的應用也是有價(jià)值的。這些應用實(shí)際上都有對應的廠(chǎng)商做過(guò)宣傳，比如錼創(chuàng )科技就展示過(guò)microLED制造的透明+柔性顯示屏。

除了傳統顯示上的應用，microLED還能應用于裸眼3D顯示——更小的像素間隔、自發(fā)光特性、高亮度，讓光場(chǎng)顯示系統的緊湊方案成為可能。此外，如前文所述在生物醫療和健康，如神經(jīng)元刺激等，以及可見(jiàn)光通訊方面，microLED都是有應用前景的。因此從市場(chǎng)價(jià)值來(lái)看，microLED創(chuàng )造的市場(chǎng)規模中短期內都至少是以數十億計的，當然前提是microLED最終邁向成熟和大規模量產(chǎn)。

獨特結構，可能改變顯示行業(yè)的格局 

文首已經(jīng)提到過(guò)microLED屏的結構（圖1），用比較簡(jiǎn)單的話(huà)來(lái)說(shuō)microLED屏幕的制造常規的分成三步（尤其是pick-and-place轉移LED方法）。第一步是在wafer上生長(cháng)出LED，第二步是制造背板（backplane，傳統屏幕的背板就是TFT），第三步則是將LED從wafer上轉移到背板上。

看這個(gè)制造流程就不難發(fā)現，microLED屏的結構比LCD和OLED都更簡(jiǎn)單，這也決定了它可以做得更薄，而且從材料角度比OLED具備更長(cháng)的壽命和穩定性，不會(huì )對水和氧過(guò)分敏感。但這其中的任何一步都可謂難點(diǎn)重重。

一般microLED芯片結構有兩大類(lèi)，分別是倒裝芯片（flip-chip）和垂直結構，傳統的水平橫向結構不大適用于microLED。根據最終的應用方向，現在的microLED技術(shù)需要作出結構上的選擇，比如AR/VR更適用于垂直結構，因為有高ppi的需求。

比較有趣的是，就現階段microLED材料、結構與制造工藝，市場(chǎng)參與者的實(shí)施方案可能是存在較大差異的，都有各自的專(zhuān)有技術(shù)方法——這也表明這種技術(shù)處在新生階段，大家都在探討技術(shù)的最優(yōu)解（或這項技術(shù)天生具備了面向不同應用的多樣性）。

比較具有代表性的如垂直結構的AlInGaP（磷化鋁鎵銦）紅色microLED，可以搭配藍色和綠色的InGaN（氮化銦鎵）LED。AlInGaP垂直microLED顯示面板的制造流程，在垂直結構中比較具有代表性；InGaN的垂直RGB microLED也采用類(lèi)似的工藝流程。

另外，InGaN倒裝芯片結構也是一個(gè)大類(lèi)，在制造方面與傳統的LED倒裝方案類(lèi)似。此外還有色彩轉換量子點(diǎn)RGB結構，RGB microLED是通過(guò)藍光/UV倒裝或垂直芯片microLED色彩轉換而來(lái)——這種方法比直接的RGB發(fā)光技術(shù)要簡(jiǎn)單，因為實(shí)際上只使用一種色光的microLED，但有色彩串擾、低效率等缺點(diǎn)。在具體的實(shí)施上也有多種方案，具體的不再展開(kāi)。

除了前面板以外，針對整個(gè)microLED屏幕，再來(lái)談?wù)劚嘲宀糠?，也就是控制每個(gè)像素明滅和灰度級的晶體管電路層——以前這一層通常就是TFT。microLED當然也能直接應用TFT，包括非晶硅、LTPS（低溫多晶硅）等技術(shù)，但現有解決方案中microLED背板部分也有應用CMOS方案的。

CMOS相比a-Si/LTPS TFT的優(yōu)勢主要包括，單晶硅具備更高的結晶質(zhì)量和電性質(zhì)，尤其是更高的電子遷移率。這一點(diǎn)實(shí)際上成為顯示向半導體進(jìn)一步靠攏的組成部分，也對顯示領(lǐng)域的現有市場(chǎng)參與者提出了不同以往的要求。

加上microLED整個(gè)顯示屏的結構與組成部分的變化，包括晶圓制造、外延生長(cháng)，以及下文要提到LED芯片的mass transfer等，這可能導致顯示行業(yè)價(jià)值鏈的整體顛簸和重心遷移——甚至可能令部分傳統顯示企業(yè)的重要性在行業(yè)內顯著(zhù)下降。

單晶硅電路可以更多采用IC制造工廠(chǎng)現有的設備設施和工藝，提供高性能、高可靠性和小尺寸的CMOS。CMOS驅動(dòng)的小尺寸和成熟性，能夠在顯示屏上實(shí)現更多的功能特性，也為microLED前面板的實(shí)施留下了更大的空間，在提升顯示質(zhì)量的前提下縮減設備尺寸。

CMOS背板通常在半導體工廠(chǎng)以BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）技術(shù)制造。0.18-0.35μm工藝就可用于制造microLED顯示屏的CMOS背板。

不過(guò)硅晶圓的尺寸限制與顯著(zhù)高于TFT的成本，讓CMOS暫時(shí)也僅限于小尺寸（但高ppi）屏幕，是很小的那種，比如AR/VR這類(lèi)對ppi有高要求但屏幕尺寸比較小的應用；而且單晶硅是不透明的，也部分局限了其應用場(chǎng)景。

microLED的主要技術(shù)挑戰

要通過(guò)一篇文章來(lái)傳達microLED的技術(shù)全局，還是頗有難度的，未來(lái)我們可以對每個(gè)細節做深入的觀(guān)察。本文的最后主要來(lái)談?wù)刴icroLED現階段遭遇的技術(shù)挑戰，也是令其難以實(shí)現大規模量產(chǎn)的一些原因。

事實(shí)上，microLED制造中遇到的問(wèn)題遠比以下列舉的挑戰更多。而且因為這些挑戰和問(wèn)題的存在，有分析與咨詢(xún)機構猜測，microLED未必會(huì )成為顯示技術(shù)的未來(lái)——畢竟電子行業(yè)內竹籃打水一場(chǎng)空的先例也不在少數。而且如前文所述，在通往microLED屏幕的這條路上，還沒(méi)有一個(gè)市場(chǎng)參與者約定俗成的標準化道路，這也進(jìn)一步增加了microLED的不確定性。

總的來(lái)說(shuō)，microLED的幾個(gè)重大技術(shù)挑戰包括了：mass transfer——也就是在microLED制造流程中，將LED從原wafer，遷移到背板上的過(guò)程；microLED現階段較低的發(fā)光效率（EQE）；以及microLED更需要從系統的角度來(lái)選擇不同階段的工藝技術(shù)；還有背板基板的制造、RGB三色實(shí)施方案等。

首先，比較為人所知的應該就是mass transfer了。國內有譯作“巨量轉移”的，就是將LED移到背板上的過(guò)程。前文提到的InGaN、AlGaInP不同色光也就是RGB的LED，生長(cháng)在不同的襯底上，這種wafer上的外延生長(cháng)有相對成熟的方案，當然這個(gè)過(guò)程本身也不同于常規方案。

但更大的挑戰出現在轉移這些LED的過(guò)程中，畢竟當這些LED的尺寸小到microLED像素級別，而且多達幾千萬(wàn)顆的程度，比如4K分辨率有超過(guò)800萬(wàn)個(gè)像素，每個(gè)像素又有RGB三個(gè)子像素，就有超過(guò)2400萬(wàn)顆LED需要轉移；轉移效率、對齊精度、良率等相關(guān)的工藝難度就會(huì )大出許多。

現有研究成果的主流方案有兩類(lèi)，分別是直接整片全體轉移，以及間接的pick-and-place（拾取并放置）。整片轉移采用wafer-to-wafer或者die-to-wafer bonding的方法，這種方案適用于高ppi的小屏幕；而pick-and-place則比較復雜，是每次拿取一部分microLED做貼裝，并重復這個(gè)動(dòng)作，有時(shí)需要借用載體。對于大尺寸顯示面板而言，這種方案是更加適用的。

Pick-and-place技術(shù)有比較高的復雜度，不同的市場(chǎng)參與者和研究機構有不同的方案，比如說(shuō)electrostatic transfer head、elastomer stamp transfer printing，以及fluidic transfer、激光剝離等。

圖3上半部分展示的方案就是elastomer stamp transfer printing。這種方案是藉由一個(gè)帶玻璃背板的高彈性載體，將LED批量轉移（據說(shuō)一次可以轉移幾萬(wàn)顆）到屏幕背板上；這個(gè)載體本身也是透明的，有利于做光學(xué)對齊。有關(guān)如何附著(zhù)、釋放，都是頗有門(mén)道的。還有像Lumiode這樣的公司，著(zhù)眼于把背板直接堆在microLED wafer上面。這些只是列舉眾多方法中的一兩個(gè)。

其次，除了mass transfer之外，microLED效率低下也是個(gè)大難題。如前文所述，microLED的EQE顯著(zhù)低下。EQE是指發(fā)射到外部的光子數，與流過(guò)結的載流子數目之比。EQE越大，則LED發(fā)光效率越高。解決microLED的發(fā)光效率問(wèn)題，是這類(lèi)屏幕實(shí)現大規模量產(chǎn)的基礎。

microLED尺寸小，在大屏幕上受到比較嚴重的側壁效應影響（傳統LED本身很大，邊緣的尺寸相對的比例并不大，側壁效應影響很?。?。各種側壁缺陷主要是蝕刻過(guò)程中出現的，這些缺陷會(huì )導致非輻射復合。低電流密度下，microLED的效率將非常低下。改進(jìn)方法包括新型的LED芯片結構設計、工藝流程改進(jìn)等，減少側壁效應、提升EQE。

不過(guò)似乎現有microLED方案EQE仍遠低于常規大尺寸的LED。在此，不同色的microLED材料選擇也會(huì )成為制造中的難點(diǎn)。

再有，從更系統的角度來(lái)看，microLED的生產(chǎn)制造對更多領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識有了新要求，包括晶圓制造、外延生長(cháng)、mass transfer、背板制造等。而且每個(gè)階段都還沒(méi)有明確、統一的技術(shù)方向；它們彼此之間還形成了環(huán)環(huán)相扣的關(guān)系，甚至還需要考慮到最終應用是什么，才能明確不同環(huán)節采用何種方案。

所以有咨詢(xún)機構認為，更具備垂直整合能力的市場(chǎng)參與者會(huì )在microLED時(shí)代中嶄露頭角——比如蘋(píng)果可能會(huì )有希望，還有富士康/夏普，以及三星、LG，因為microLED顯然是個(gè)更系統的過(guò)程。當然這可能也更考驗市場(chǎng)參與者之間的協(xié)同能力，而目前較為分散的microLED技術(shù)實(shí)施方案顯然與之背道而馳。

其他microLED相關(guān)的挑戰還包括測試方面的（更小的microLED對測試提出了高得多的要求，而且整個(gè)鏈條上的每個(gè)階段都需要做測試；需要開(kāi)發(fā)新的測試方法；采用系統的工程方法覆蓋整個(gè)生產(chǎn)流程）；以及一些更細致的問(wèn)題，如外延生長(cháng)過(guò)程中波長(cháng)一致性的控制，LED結構設計中波長(cháng)偏移、光譜FWHM的降低，像素發(fā)光串擾的控制（類(lèi)似于miniLED一文中提到的光暈效應），以及電路設計中提升波長(cháng)與亮度一致性的補償電路等等。

未來(lái)的不可知性

即便有這么多技術(shù)挑戰，不少市場(chǎng)參與者在microLED技術(shù)上的布局都相當積極，尤其是中國國內顯示供應鏈相關(guān)的企業(yè)，面板制造商諸如京東方、TCL/華星光電、天馬微電子，LED供應商三安光電、華燦光電、國星光電、聚飛光電，紛紛在加大mini/microLED兩類(lèi)產(chǎn)品R&D方面的投入。

LED芯片制造商三安光電將mini/microLED作為開(kāi)發(fā)策略的重點(diǎn)，2019年三安光電就宣布投資12億元人民幣在湖北鄂州的葛店經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區針對研發(fā)生產(chǎn)做布局；去年，三安光電與華星光電宣布合作成立聯(lián)合實(shí)驗室，投入3億元人民幣共同開(kāi)發(fā)microLED材料、制造工藝和設備。另外還有諸如利亞德與晶元光電聯(lián)合投資數億元人民幣，在無(wú)錫生產(chǎn)mini/microLED芯片和模塊，加速新一代顯示解決方案的商業(yè)化進(jìn)程等。

在microLED這種技術(shù)的發(fā)展下，顯示行業(yè)可能會(huì )發(fā)生翻天覆地的變化。只是在針對microLED市場(chǎng)的諸多猜測中，仍有相當一部分是對microLED技術(shù)的質(zhì)疑；即便從現有市場(chǎng)參與者的角度，他們都仍然認為microLED的成熟可能還需要一段時(shí)間。市場(chǎng)仍有一定概率出現，microLED會(huì )向前發(fā)展，但LCD和OLED仍長(cháng)期統治市場(chǎng)的局面。要知道，某個(gè)企業(yè)甚至行業(yè)點(diǎn)錯技能樹(shù)的情形，在科技領(lǐng)域是相當廣泛的，但我們期待著(zhù)microLED的進(jìn)步和成熟。