Micro LED-teknologi: Arkitektur, udvikling og kommercielle anvendelsesmuligheder

Som en kerneretning for næste generations displayteknologi har Micro LED bevæget sig ud over den "tekniske testfase". Nu er den solidt i den tidlige fase af teknisk modenhed og er officielt gået ind i det "første anvendelsesår".

Denne innovative teknologi integrerer selvlysende dioder med høj densitet i mikrometerskala i et driver-bagplade. Gennem flerdimensionelle teknologiske gennembrud omformer den aktivt displayindustriens landskab.

Grundlæggende forståelse af Micro LED

Teknisk definition

Micro LED, en forkortelse for micro light-emitting diode (også kendt som mLED eller μLED), er en avanceret displayteknologi, der udtynder, miniaturiserer og arrayerer traditionelle LED'er. Dens pixelstørrelse varierer fra 1 til 100 mikrometer. Det er kun 1% af størrelsen på konventionelle LED'er. Derudover er pixelafstanden faldet fra millimeter til mikrometer, da skærmen er sammensat af en matrix af individuelle LED-enheder.

Displayprincip

Hver Micro LED-pixel består af tre underpixels: rød, grøn og blå. Det afgørende er, at hver underpixel kan styres uafhængigt, og derfor kan den foretage præcis justering af lysstyrke, farve og kontrast. Arrayet bruger krydsende positive og negative gitterelektroder til at forbinde til terminalerne på hver Micro LED.

Billeder vises ved at tænde disse elektrodelinjer i rækkefølge og scanne for at oplyse pixels. I nogle designs behandles lyset fra LED'erne yderligere gennem en kombination af linser, spejle og farvefiltre. 

Kernebaserede processer

Den grundlæggende fremstillingsproces for Micro LED involverer tre nøgletrin.

Først udtyndes, miniaturiseres og opstilles LED-strukturen.

Dernæst bruger den højpræcisionsmikrofabrikationsteknologi til at overføre partier af Micro LED'er til stive, fleksible eller transparente kredsløbssubstrater.

Endelig anvender den fysisk aflejring til at skabe et beskyttende lag og en topelektrode, og indkapsler derefter substratet for at danne et simpelt, men funktionelt displaypanel.

Relateret:

MiP vs. glassubstrat: Hvad er den bedste løsning til Micro LED-displays?

Kernetekniske fordele ved Micro LED

Med sine unikke tekniske principper og struktur tilbyder Micro LED omfattende ydeevne, der langt overgår traditionelle displayteknologier. Dens kernefordele kan opsummeres som følger:

Fremragende optisk og farvepræstation

Micro LED bruger direkte båndgab-halvledermaterialer som GaN. Som et resultat har dens emissionsspektrum en fuld bredde ved halv maksimum (FWHM) på kun 20 nm, hvilket dækker 120% af NTSC-farveskalaen.

Når det kombineres med quantum dot-farvekonverteringsteknologi, kan dette farvespektrum udvides til 150 % sRGB. Det kan levere enestående farvegengivelse og nøjagtighed. Bemærkelsesværdigt eliminerer det behovet for baggrundsbelysning og farvefiltre, hvilket muliggør ultrahøje dynamiske kontrastforhold på op til 1,000,000:1.

Lavt strømforbrug og høj lysstyrke

Desuden er dens strømforbrug kun 10% af LCD's og 50% af OLED's. Alligevel er dens lysstyrke 10 gange højere end OLED's, med en maksimal lysstyrke på 4000 nits.

Derudover kræver Micro LED kun 10% af OLED'ernes belægningsareal ved samme lysstyrkeniveau. Dette sparer værdifuld overfladeplads på enheder og muliggør integration af flere sensorer.

Høj pålidelighed og lang levetid

Micro LED er fremstillet af uorganiske materialer og undgår ældningsproblemerne i OLED's organiske lag. Den løser ikke kun problemet med indbrænding af skærmen fuldstændigt, men giver også en levetid på over 100,000 timer. Derudover eliminerer dens responstid på nanosekundniveau bevægelsesslør, hvilket gør den ideel til dynamiske visningsscenarier med høj hastighed.

Høj integration og fleksible formfaktorer

Micro LED's pixelafstand kan reduceres til under P0.1, med en maksimal pixeltæthed på 1800 ppi. Den er også kompatibel med stive, fleksible og endda transparente substrater.

For fleksible substrater kan bøjningsradiusen være mindre end 1 mm, hvilket muliggør tynde, lette designs, samtidig med at det åbner op for potentialet for fleksible og transparente formfaktorer.

Realted:

Hvordan opnår MIP-procesteknologi et gennembrud inden for ultra-HD fine-pitch LED-skærme?

Nøglekomponentarkitektur og tekniske flaskehalse

Micro LED's tekniske system involverer flerdimensionelle præcisionsdesign- og fremstillingsprocesser. Det står dog stadig over for flere kritiske flaskehalse, der skal løses:

Chiplag

På chipfronten bruger Micro LED InGaN-baserede LED'er. Dens struktur, fra bund til top, omfatter et safirsubstrat, GaN-bufferlag, N-type GaN-lag, multiple quantum well (MQW) aktivt lag, P-type GaN-kontaktlag og strømspredningslag.

Det aktive MQW-lag udsender lys gennem elektron-hul-rekombination, og antallet af lag påvirker direkte lyseffektivitet og bølgelængdestabilitet.

I fremstillingsprocessen:

MOCVD-teknologi bruges til præcist at styre gasstrømmen ved 1000-1100 ℃, hvilket muliggør epitaksial vækst af GaN-materialer.

ICP-ætsning anvendes derefter for at danne uafhængige pixelenheder med riller, der penetrerer safirlaget for elektrisk isolering.

Endelig fremstilles Ti/Au ohmske kontaktelektroder på N-type og P-type GaN-lagene, parret med et Ni/Au strømspredningslag for at optimere den laterale strømfordeling.

Den centrale flaskehals her er, at effektiviteten af ​​røde Micro LED'er er meget lavere end effektiviteten af ​​blå og grønne chips. Derudover er det fortsat en udfordring at sikre ensartet lysstyrke og bølgelængde på tværs af millioner af chips. Det kræver gennembrud inden for nye halvledermaterialer og præcisionsinspektionsteknologier til fremstilling.

Masseoverførsels- og bindingsteknologi

En anden kritisk udfordring ligger i masseoverførsels- og bindingsteknologi. Det er et essentielt trin for industrialiseringen af ​​Micro LED. Denne proces kræver præcis overførsel af millioner eller endda milliarder af mikrometerskalachips fra vækstsubstratet til driverens bagplan, med krav om ±1 μm præcision og over 99.99% udbytte.

I øjeblikket findes der tre almindelige tekniske ruter:

• Laser Lift-Off (LLO): Velegnet til både stive og fleksible materialer.
• Fluidisk selvmontering: Lav pris, men langsom i hastighed.
• Elastisk stempeloverføring: Kompatibel med store paneler, selvom udbyttet er begrænset af materialedeformation.
• Til binding anvendes Sn-Ag metaleutektisk binding eller Microbump-forbindelser til at opnå elektrisk kontakt mellem chips og bagplanet, med en bindingshøjde kontrolleret mellem 1-5 μm.
• I dag er forsknings- og udviklingsfokus på dette område på at forbedre overførselshastighed og udbytte. Nye ruter som rulleoverførsel udvikles sideløbende med det mål at reducere omkostningerne til markedsacceptable niveauer.

Driverkredsløb og backplane-arkitektur

Når det kommer til driverkredsløb, tilbyder Micro LED tre tilstande:

Passiv matrix (PM):

Enkel i struktur, men med højt strømforbrug. Den er velegnet til scenarier med lav opløsning, f.eks. smartwatches.

Aktiv matrix (AM):

Integrerer uafhængige TFT-driverkredsløb for hver pixel. Den understøtter høj opløsning og gråtonekontrol. Derfor er det den almindelige løsning til AR/VR-headset.

Semiaktiv matrix:

Kombinerer fordelene ved PM og AM ved hjælp af enkelttransistordrift, hvor ydeevnen ligger mellem de to.

Valg af bagplademateriale skal stemme overens med anvendelsesscenarierne:

Glassubstrater:

De tilbyder høj fladhed og lave termiske udvidelseskoefficienter og understøtter ultrafine pitches under P0.4 til high-end-skærme.

Siliciumbaseret CMOS:

Kan prale af høj integration. Den er ideel til AR-mikrodisplays.

Fleksible underlag:

Den er velegnet til bærbare enheder.

I øjeblikket er den primære efterspørgsel efter backplane-teknologi udviklingen af ​​substrater, der er i stand til at bære massive mikrometerskalachips, samtidig med at de muliggør effektiv og uafhængig drift. Inden for sektoren for store skærme udforskes lavtemperatur polykrystallinsk silicium (LTPS) glassubstratteknologi.

Emballage- og optisk design

Emballageteknologi følger to hovedruter:

MiP-ordning:

Først pakkes chips i uafhængige enheder i 0202-størrelse, som derefter monteres på printkortsubstrater. Med et udbytte på over 99 % og kompatibilitet med eksisterende produktionslinjer vil det dominere markedet for kommercielle displays på kort sigt.

Glasbaseret emballage:

Fuldfører masseoverførsel og pakning direkte på glassubstrater. Selvom det teoretisk set er billigere, er det nuværende udbytte kun omkring 85 %, hvilket kræver yderligere forbedringer.

Til optisk forbedring anvendes to nøglemetoder:

Nanoimprint-teknologi til at skabe mikrolinsearrays på pixeloverflader, hvilket øger lysudvindingseffektiviteten med over 30 %.

Belægning af kvantepunktmaterialer på blå LED-chips for effektiv fuldfarvevisning. Stabiliteten og lyseffektiviteten af ​​kvantepunktmaterialer er dog fortsat centrale udfordringer.

Inspektions- og reparationsteknologi

For at sikre paneludbytte er Micro LED udstyret med et omfattende inspektions- og reparationssystem.

Online inspektion bruger kameraer med høj opløsning og AI-algoritmer til at identificere døde pixels med en præcision på ±0.1 μm. Laserreparation bruger laserenergi til at smelte eller genforbinde elektroder, hvilket opnår en reparationsrate på over 95 %. Derudover reserveres backup-pixels i driverkredsløbet for at kompensere for dårlige pixels gennem kredsløbsskift. Det kan yderligere beskytte skærmkvaliteten.

Teknologisk udvikling og industriel kædelayout

Vigtige teknologiske gennembrud

I de senere år har Micro LED opnået adskillige betydelige gennembrud. Inden for masseoverførsel har Aledias siliciumbaserede nanotrådsteknologi øget udbyttet til 95 % med en overførselshastighed på 50,000 chips i sekundet.

For driver-IC'er muliggør TBSilicons Hybrid PWM+PAM blandede drivteknologi en opdateringshastighed på 1200 Hz ved en lysstyrke på 1 nit. Inden for fuldfarvedisplay har Konka realiseret masseproduktion af 15×30 mikrometer fuldfarvechips med et udbytte på 99.9 % gennem hybrid masseoverføringsteknologi.

Industriel kædestruktur

Opstrøms materialer:

Lokaliseringsraten for safirsubstrater har oversteget 60%. Imidlertid er epitaksiale GaN-wafere med høj ensartethed stadig afhængige af udenlandske virksomheder som Japans Sumitomo Electric, hvilket giver rigelig plads til indenlandsk substitution.

Mellemstrømsproduktion:

 San'an Optoelectronics og HC Semitek har bygget 8-tommer Micro LED-waferlinjer, mens BOE og Tianma Microelectronics har etableret 6. generations glasbaserede produktionslinjer, der driver storskala masseproduktion af kerneprocesser.

Downstream-applikationer:

Sony og Samsung dominerer markedet for professionelle skærme, mens Apple og Meta accelererer forskning og udvikling inden for AR/VR-mikrodisplays. Penetrationsraten for HUD til biler forventes at nå 8.5 % i 2030.

Resumé

Gennem teknologiske innovationer som chipminiaturisering, masseoverførsel og integreret styring har Micro LED overgået traditionelle displayteknologier som LCD og OLED i ydeevne.

Selvom det stadig står over for udfordringer som høje omkostninger og utilstrækkeligt udbytte i nogle kerneprocesser, forventes omkostningerne gradvist at falde. Dette er drevet af løbende gennembrud inden for glasbaseret emballage, single-chip fuldfarvedisplays og andre nøgleteknologier, samt stordriftsfordele fra industrielt samarbejde.

I 2030 forventes det globale marked for Micro LED at overstige 20 milliarder dollars. Det vil ikke blot blive den centrale motor for opgraderingen af ​​den nye displayindustri, men det vil også fortsætte med at generere nye forretningsvækstpunkter inden for avanceret kommerciel brug, forbrugerelektronik, bilindustrien, AR/VR og andre områder.