從2019 Display Week-SID看MicroLED技術最新發展(上)

 

刊登日期:2019/11/25
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趙嘉信/工研院電光所
前言
MicroLED技術在Display Week 2019的熱度依然相當高,從Symposium/Poster 400篇以上論文中,與MicroLED相關就占近兩成可窺知一二。雖然相關技術仍處於發展階段,截至目前僅Sony CLEDIS的大型顯示屏付諸商用化,消費性應用則均尚未商品化,但從專利數量過去5年的大幅成長 (71% CARG, 2013-2018, Yole),顯示出已有大量公司正投入其中。
 
MicroLED帶來了整個技術領域的各類挑戰,而傳統顯示產業通常無法單獨解決這些技術瓶頸。最大且顯而易見的挑戰在於“巨量轉移”技術,即是轉移並組裝數百、上千萬微小的MiroLED晶粒到顯示背板上。但隨著各研究團隊及公司取得技術進展,能逐漸展示功能完整的MicroLED顯示原型之際,最初被最大技術難題遮蓋的其他各類技術挑戰逐漸紛紛呈現出來,從原型階段到具成本效益、可高良率生產、具高顯示品質產品階段,仍有多項技術瓶頸需克服。因此,Yole以 “Overlooked Challenges for MicroLED Dislpay”為題發表觀點討論。
 
圖一是Yole針對MicroLED技術所做的專利分析,呈現出2018、2019兩年各技術分支專利家族數量成長的消長情形。專利內容包括:“LED磊晶”、“微晶粒製程” 、“巨量轉移”、“全彩之色轉換”、“光效之取光與光型修飾”、“顯示畫素與驅動”、“壞點修補”、“檢測”及 “顯示內感測”等9 大類技術挑戰。 “巨量轉移”、 “顯示畫素與驅動” 仍為前兩大,後者成長幅度更大,排第3,顯示既有顯示產業業者投入其中的力道變大。過去一年,“微晶粒製程”、 “全彩之色轉換”、 “光效之取光與光型修飾”、 “顯示畫素與驅動”、 “壞點修補”等技術類別的專利數量成長速度都高於 “巨量轉移”,成長幅度排序以“色轉換”、“壞點修補”為前兩大,技術發展關注力已從 “巨量轉移”外溢,彩色化、壞點管理與修補及顯示架構&驅動、晶粒設計及光學、光效等成長幅度都超過100%。單就數量而言,提升良率關鍵的 “壞點修補” 與 “檢測”技術專利數量仍遠落在後,估計此兩類技術與會場中討論度高的 “顯示內感測”,將是下一波專利佈局成長的重點。以下針對各大類技術挑戰,擇要說明在本次研討會發表之重點。
 
圖一、2018-2019 MicroLED 各技術專利家族數量 研討會精摘
圖一、2018-2019 MicroLED 各技術專利家族數量
研討會精摘
1. LED 磊晶 (Epitaxy) 
提高良率、降低成本一直是MicroLED顯示產品化最大的挑戰之一。製造程序源頭的LED磊晶片的均勻性更是良率推升的關鍵,更好均勻性的LED磊晶基板能夠減少後續巨量轉移前的分類、巨量轉移後的畫素修補等成本,有利後續所有製造步驟的良率。而均勻性主要指色彩均勻性,以色光三原色(紅、藍、綠光)在人眼所不能區別的最大色彩變異為理想條件,約略相當於三光色波長變異範圍 ±2 nm內。德國ALLOS Semiconductors公司以GaN-on-Si技術,透過可相容半導體產線尺寸之200 mm大面積晶圓的成本優勢,及高均勻度對良率提升的貢獻,提供解決方案。本屆研討會更新了200 mm Ga-on-Si磊晶片在Veeco Propel MOCVD系統上的重複性及波長均勻性的進展(圖二)。基於其專利應變工程技術的精確控制下,波長均勻度縮小到±1.65 nm,較去年的±2.5 nm又更往其目標±1 nm趨近。ALLOS預期透過大尺寸8”/ 12”、 1 bin高均勻性 GaN on Si克服從磊晶、製程轉移組裝至檢測的成本問題。
 
圖二、ALLOS Semiconductors在GaN-on-Si磊晶技術之波長均勻性進展
圖二、ALLOS Semiconductors在GaN-on-Si磊晶技術之波長均勻性進展
 
德商AIXTRON公司擁有控制磊晶基板溫度的專利技術,在波長均勻性也取得重要突破。波長變異範圍在4 nm內的 6吋藍光晶圓面積高達99.7%,波長變異範圍在3 nm內的紅光晶圓面積也超過99%。簡言之,其AIX G5-C設備效能在全晶圓4 nm分布面積達99%以上。從圖三看,若以生產時的巨量轉移利用率來看---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

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