工研院攜手LED 驅(qū)動(dòng)IC 廠聚積科技、PCB廠欣興電子與半導(dǎo)體廠錼創(chuàng)科技，四方合力研發(fā)的次世代顯示技術(shù)微發(fā)光二極體（Micro LED）又有新進(jìn)展。繼去年展出全球第一個(gè)直接轉(zhuǎn)移至PCB 基板的Micro LED 顯示模組后，時(shí)隔一年再公開的合作結(jié)晶成功實(shí)現(xiàn)了“『R』GB”全彩，但小小一塊板子背后所要解決的技術(shù)問題盡是挑戰(zhàn)。

紅光良率不比藍(lán)綠，弱化結(jié)構(gòu)更是難題

Micro LED 技術(shù)談了好多年，眾所周知這是一門需要顛覆傳統(tǒng)制程、牽涉產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域甚廣的破壞式創(chuàng)新技術(shù)，各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)對(duì)領(lǐng)域?qū)＜叶远加胁灰淄黄频钠款i。去年工研院與三廠合作開發(fā)的被動(dòng)矩陣式驅(qū)動(dòng)超小間距Micro LED 顯示模組，成功將Micro LED 陣列晶粒直接轉(zhuǎn)移到PCB 基板，只是“R”GB 全彩獨(dú)缺紅光。經(jīng)過一番努力，今年總算是讓紅光“亮”了相。

有別于先前6 cm x 6 cm 的Micro LED 顯示模組，間距（Pitch）小于800 μm、解析度80 x 80 pixel，新版模組尺寸為6 cm x 10 cm，間距約在700 μm 以下、解析度96 x 160 pixel，LED 晶粒尺寸則同樣在100 μm內(nèi)。從前端制程到后端轉(zhuǎn)移，工研院電光所智能應(yīng)用微系統(tǒng)組副組長方彥翔博士提到兩大技術(shù)難題，一是紅光晶片利用率與良率不足，二是“弱化結(jié)構(gòu)”。

▲2018 年所展出的超小間距Micro LED 顯示模組獨(dú)缺紅光，間距小于800 μm、解析度80 x 80 pixel

▲2019 年新版Micro LED 顯示模組成功達(dá)成RGB，間距約700 μm以下、解析度96 x 160 pixel

“以晶粒利用率和良率來看，紅光還是問題，”方彥翔以4 吋LED 晶圓為例指出，晶圓扣除2 mm 外徑后，可用區(qū)域的良率在單一標(biāo)準(zhǔn)值下或許可達(dá)99％，也就是單看波長（Dominant Wavelength，Wd）、驅(qū)動(dòng)電壓（Forward Voltage，Vf）或反向漏電（流）（Reverse Leakage （Current），Ir）；但若三項(xiàng)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)都要兼?zhèn)?，整體良率很可能不到60％，尤其紅光受限于材料與特性，或許連50％ 良率都未必能達(dá)到。

光看可用區(qū)域的良率并不夠，方彥翔表示，Micro LED 制程下需要針對(duì)轉(zhuǎn)移的面積去定義良率。簡(jiǎn)單來說，假設(shè)巨量轉(zhuǎn)移模組的轉(zhuǎn)移面積是6 cm x 3 cm，就表示在該矩形區(qū)域（block）里的Micro LED 陣列晶粒都必須符合前述三項(xiàng)良率標(biāo)準(zhǔn)，不能有壞點(diǎn)才能進(jìn)行轉(zhuǎn)移，也就是說整片晶圓里可能只有某個(gè)特定區(qū)塊符合所有標(biāo)準(zhǔn)，良率不夠穩(wěn)定導(dǎo)致能轉(zhuǎn)移的區(qū)域少、整片利用率也大幅下降。以目前產(chǎn)業(yè)最頂尖的技術(shù)來說，晶圓晶粒要做到超高均勻度都還有很大努力空間。

▲紅光受限于材料與特性，良率比藍(lán)光、綠光相對(duì)更低

不僅Micro LED 紅光良率有待改善，具有弱化結(jié)構(gòu)的Micro LED 更是難求。

弱化結(jié)構(gòu)是巨量轉(zhuǎn)移成功與否的一大關(guān)鍵。方彥翔說明，Micro LED 晶粒在制程階段得先跟矽或玻璃等材質(zhì)的暫時(shí)基板接合，再透過雷射剝離（laser lift－off）去除藍(lán)寶石基板，接著以覆晶形式將原本的LED 結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)、正面朝下，并使P 型與N 型電極制作于同一側(cè)，對(duì)于微縮到微米等級(jí)的Micro LED 來說又更具難度。

為了讓Micro LED 在巨量轉(zhuǎn)移的吸取過程中，能夠順利脫離暫時(shí)基板又不至破片，因此得在LED 下方制作中空型的弱化結(jié)構(gòu)，也就是以小于1 μm 的微米級(jí)柱子支撐。當(dāng)轉(zhuǎn)移模組向上吸取LED 時(shí)，只要斷開柱子便能將Micro LED 脫離暫時(shí)基板，再轉(zhuǎn)移下壓至TFT 或PCB 板上，但這一步驟也考驗(yàn)LED 本身夠不夠強(qiáng)固、承受壓力時(shí)是否仍能保持完好，而紅光比起藍(lán)光和綠光相對(duì)更脆弱易破，加上PCB 板粗糙度（roughness）較大、上下高低差大于200 μm，稍微施壓不當(dāng)就可能降低紅光轉(zhuǎn)移成功率。

至于玻璃基板則因?yàn)榇植诙葲]有PCB 板來得大，Micro LED 轉(zhuǎn)移難度也相對(duì)較低。去年工研院便展出過一款6 cm x 6 cm、間距約750 μm、解析度80 x 80 pixel 的Micro LED 透明顯示模組，所采用的就是超薄玻璃基板，技術(shù)上成功實(shí)現(xiàn)了RGB 三色；而今年所制作的新版Micro LED 透明顯示模組，尺寸為4．8 cm x 4．8 cm，間距約375 μm、解析度120 x 120 pixel，明顯比前一款的顯示效果更為細(xì)致。

▲2018 年版Micro LED 透明顯示模組，間距約750 μm、解析度80 x 80 pixel

▲2019 年版Micro LED 透明顯示模組，間距約375 μm、解析度120 x 120 pixel

聚焦三大應(yīng)用：電競(jìng)熒幕、AR、透明顯示器

Micro LED 具備高亮度、高效率低功耗、超高解析度與色彩飽和度、使用壽命較長等特性，在電競(jìng)熒幕（Gaming Monitor）、擴(kuò)增實(shí)境（AR）、透明顯示器等應(yīng)用領(lǐng)域，要比OLED、LCD 更能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，而這三大應(yīng)用也是工研院最為看好也正積極發(fā)展的方向。

以電競(jìng)熒幕應(yīng)用來看，方彥翔提到目前市場(chǎng)上雖然已有次毫米發(fā)光二極體（Mini LED）技術(shù)切入，但始終是做為顯示器背光，Micro LED 則可直接做為pixel 顯示不需背光源。相較于Mini LED 或同樣為自發(fā)光顯示技術(shù)的OLED，Micro LED 對(duì)比度更高更純凈、顯色表現(xiàn)也更佳，在最關(guān)鍵的刷新率表現(xiàn)上也優(yōu)于OLED，而且無烙印或衰退問題，未來在高端消費(fèi)市場(chǎng)的發(fā)展?jié)摿ο喈?dāng)可期。

▲工研院Mini LED 顯示模組采用PCB基板，模組尺寸6 cm x 6 cm、間距小于800 μm、解析度80 x 80 pixel

提到Micro LED 應(yīng)用于AR 的發(fā)展機(jī)會(huì)，方彥翔已不只一次表達(dá)過正面看法。他認(rèn)為Micro LED 有機(jī)會(huì)在AR 領(lǐng)域發(fā)展為顯示光源主流技術(shù)，但就技術(shù)而言還有很多難題有待克服，除了Micro LED RGB 三色良率和效率問題需要重新調(diào)整外，若以單色Micro LED 結(jié)合量子點(diǎn)（QD）色轉(zhuǎn)換材料的方式，也還有其他問題存在。

而且，AR成像目前遇到的問題為系統(tǒng)光波導(dǎo)（Optical Waveguide）吸收率極高，因此若要在系統(tǒng)要求的低功耗前提下，Micro LED 所需要的亮度將高達(dá)100 萬nits，別說Micro LED 現(xiàn)在還很難做到，連技術(shù)成熟的OLED 和LCD 都無法達(dá)到，更何況AR 畫素密度約2，000 ppi 以上，間距在12．8 μm 左右，單一子畫素（Sub－pixel）必須微縮到4 μm 以下，Micro LED 若以傳統(tǒng)制程進(jìn)行制作，效率將大幅下降，在一定功耗要求下，光要達(dá)到10 萬nits 就已經(jīng)非常困難。

“所以LED 小于10 μm 以后，亮度就是另一個(gè)世界，”方彥翔說，“要提升LED 在AR 上的效率，就必須從半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和制程去改變，要有突破才有辦法達(dá)到”。盡管AR 應(yīng)用可能還需要五年才有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)，但他認(rèn)為這確實(shí)是臺(tái)灣可以發(fā)展的Micro LED 利基市場(chǎng)。

至于工研院所開發(fā)的透明顯示器采被動(dòng)式無TFT，主要以3 到4 吋模組拼接形式，聚焦車載和被動(dòng)式應(yīng)用。提到透明顯示器車載應(yīng)用，方彥翔指出，OLED 透明度雖然可達(dá)60％ 到70％，但解析度難做高；Micro LED 透明度可達(dá)70％ 以上，顯示也相對(duì)更清晰。目前工研院正與廠商進(jìn)行產(chǎn)品試做，也會(huì)持續(xù)發(fā)展有關(guān)應(yīng)用。

方彥翔直言，Micro LED 就技術(shù)開發(fā)來說還需要一段時(shí)間，若朝OLED 和LCD 現(xiàn)有市場(chǎng)發(fā)展替代應(yīng)用已經(jīng)太晚，也不一定會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，加上良率有限、成本難降，要跟技術(shù)成熟的LCD 和OLED 競(jìng)爭(zhēng)并不容易。但他相信，OLED 或LCD 達(dá)不到的技術(shù)就是Micro LED 的機(jī)會(huì)，尤其電競(jìng)熒幕、AR 和透明顯示器等高技術(shù)門檻的利基應(yīng)用，或許可為臺(tái)灣發(fā)展Micro LED 的路上亮起希望。