在设计和制造方面的大量创新推动下，MicroLED 显示器市场正在升温，这些创新可以提高产量并降低价格，使其与 LCD 和 OLED 设备竞争。

MicroLED 显示器比前代产品更亮、对比度更高，而且效率更高。已经为手表、AR 眼镜、电视、标牌和汽车显示器开发了功能原型，并在 CES 和 Display Week 上展出。供应商现在正将他们的重点从仅仅制作原型转移到提高所有工艺步骤的产量和生产力，这应该会显着降低成本。

ClassOne Technology 产品和技术副总裁 John Ghekiere 表示：“当您拥有 microLED 之类的设备时，风险就会增加，而最大的问题是，‘您能否以具有成本效益的制造工艺生产 microLED 显示器？’” .

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图 1：具有 3um 像素间距的蓝色 GaN microLED 阵列使用多色量子点集成来实现全彩 AR 显示。使用亚 40nm CMOS 工艺，1000 万尼特的最大亮度消耗 <1W。资料来源：MICLEDI

这是一个很大的问题，因为这项技术不乏可能的应用。“一个关键的机会涉及基于硅技术的 GaN 的开发，”Lam Research 战略营销董事总经理 David Haynes 说。“这些允许将制造工艺扩展到 200 毫米和 300 毫米晶圆，并可以访问完善的硅铸造基础设施。代工厂已经在为电源和射频开发标准的 CMOS 兼容硅基 GaN 解决方案，因此制造 microLED 是合乎逻辑的下一步。”

尽管如此，这种转变的幅度仍然不小。Veeco 副总裁兼首席技术官 Ajit Paranjpe 表示：“主要挑战是以可接受的制造吞吐量和成本满足严格的均匀性（颜色和亮度）和缺陷像素良率目标。” “努力的重点是提高所有关键步骤的产量，包括外延生长和传质，以最大限度地减少对冗余或修复的需求。这些因素推动了显示成本。”

苹果、三星和康佳（前东芝）等领先的科技公司正在奋力前行，大力投资制造用于 AR 眼镜、智能手表、电视、数字标牌和汽车显示器的 microLED 模块。这预计将在 2024 年至 2027 年之间发生，并且随着技术的成熟，可能会导致显示技术通常的价格急剧下降。截至今天，三星最便宜的 The Wall TV 有 89 英寸、101 英寸和 110 英寸版本，起价为 80,000 美元（产品推出延迟）。它是在有源矩阵薄膜晶体管 (LTPS) 驱动器上使用 PlayNitride 的 30 x 60µm microLED 制造的。使 microLED 具有成本效益就是将 80,000 美元的价格降至 3,000 美元左右的消费者友好水平。

在尺寸范围的另一端是 Vuzix 用于企业应用（手术、维护等）的 AR Shield 眼镜，具有 0.13 英寸绿色显示屏（640 x 480 像素），由 JB Display 制造，每对带有 2 个带波导的显示屏玻璃，达到 400 万尼特的阳光照射条件所需的亮度。

巨额投资microLED
的卓越性能潜力正在推动对研发的巨额投资。与有机 LED (OLED) 显示器或 LED 背光 LCD 相比，这些直接发光显示器承诺以更低的功耗提供更高的像素密度、纳秒级响应时间（对于增强现实至关重要）和更宽的视角。

制造 microLED 所需的高精度需要大规模转向半导体制造思维，包括 100 级洁净室（<100 个粒子/ft3，≥0.5µm）、切换到 200 毫米蓝宝石晶圆以及关键外延晶圆工具的缩放。先进的微型显示器可能需要升级到 EUV 扫描仪，以及低损伤蚀刻、电镀、CMP 和晶圆清洁工具。

未来三年，Yole Group 旗下的 Yole Intelligence 预计将有 30 亿美元用于电视、智能手表和 AR 眼镜的 microLED 制造基础设施。播放器包括苹果、三星、晶元、PlayNitride、友达、三安、JB Displays等。

Yole Intelligence 的高级行业分析师 Eric Virey 博士详细介绍了一些已宣布的 microLED 晶圆厂计划，包括：

• amsOsram 斥资 8.5 亿美元扩大在奥地利和马来西亚的 microLED 生产；
• Aledia 宣布耗资 1.65 亿美元的晶圆厂生产 GaN-on-Si 纳米线 microLED；
• 友达加大对 PlayNitride 和 Epistar 的投资；
• 康佳、TCL-CSOT、维信诺宣布投资1亿美元；
• MICLEDI 和 GlobalFoundries 正在为 microLED 生产做准备，并且
• 三安光电宣布 20 亿美元的 mini/microLED 晶圆厂。

据 Virey 称，Apple 智能手表很可能是第一款量产的 microLED 产品，而 ams-Osram 是其首选供应商。“如果一切按计划进行，我们将在 2024 年看到苹果的 microLED 智能手表。”

同时，新颖的器件结构正在提供令人印象深刻的性能。Aledia 设计了一种新颖的 3D 架构，方法是形成数百万条从硅表面突出的亚微米直径发光 GaN 纳米线，以提高发光面积效率。Aledia 将制造称为 SmartPixels 的纳米线，并采用硅铸造厂进行后续加工。

除了上述投资外，microLED 领域也有重大收购，包括谷歌收购初创公司 Raxium，以及 Snap 收购 Compound Photonics。

LED 先是 mini，然后是 micro LED
根据产品尺寸分为三种类型：

• 用于电视和标牌的大型显示器；
• 用于平板电脑、智能手机和车载显示器的中型显示器，以及
• 用于 XR (AR/VR/MR) 眼镜和智能手表的微型显示器。

MicroLED 是我们今天在路灯、家用灯泡和商业建筑中使用的 LED 的微型版本。该行业制造白光的方式是在蓝色 LED 上涂上黄色荧光粉，该荧光粉与蓝色光子相互作用以产生白色光子。MicroLED 通常被指定为一侧小于 50µm，而 LED 的尺寸为 200µm 或更大，术语 miniLED 涵盖了介于两者之间的所有内容。然而，一些公司表示，microLED 是指任何没有封装的 LED，无论其确切尺寸如何。

如今，MiniLED 使用蓝色 LED 和量子点为笔记本电脑、平板电脑、电视和室内/室外标牌提供照明。当以适当的电压施加电流时，LED 会发光（光子），并且电子和空穴在器件的有源区域（量子阱）中重新结合。光的亮度是施加电流的函数，但发射的颜色（波长）由半导体材料的能带差异决定，AlInGaP-on-GaAs 发出红色光，InGaN-on-sapphire 发出绿色和蓝色光。

LED颜色一致性反映在波长一致性上。对于 LED，分档将具有更好控制色度的产品与性能较差的设备分开。需要分档以实现一致的波长以产生相互匹配的光。不幸的是，对于 microLED，由于缺少在处理过程中对其进行保护的封装，因此无法进行分档。因此，必须将符合规格的 microLED 隔离用于目标显示器，这与传输和在线检测操作相关。

第一代 microLED 显示器预计将使用原生红色、绿色和蓝色 microLED 的子像素，尽管一些公司正在寻求使用带有量子点的蓝色 LED 来创建蓝色和红色子像素。这种下转换方法简化了红色、绿色和蓝色 microLED 的复杂拾取和放置转移，但代价是亮度损失。

选择正确的工艺
microLED 显示器的制造方案取决于其要求。例如，手表或 AR 应用中使用的微型显示器需要 1,000-10,000 dpi 的极高像素密度。在这些情况下，混合键合将 GaN/蓝宝石晶圆结合到硅 CMOS 驱动器晶圆上。然后使用背磨去除蓝宝石晶片。

然而，对于像素密度较低的应用，例如电视或数字标牌，miniLED 芯片必须分散到显示背板上。该方法通常利用载体晶圆上的临时键合来实现从晶圆上紧密的裸片到裸片封装到像素间距分离的重新分布。

芯片制造商和 microLED 制造商之间的合作伙伴关系还可以加快工艺集成。“MICLEDI 的 microLED 解决方案与 GlobalFoundry 的 22FDX 平台相结合，通过提供超高分辨率显示器和先进成像技术来满足未来 AR 眼镜的苛刻需求，从而实现令人惊叹的视觉细节和色彩，”工业和多市场副总裁 Ed Kaste 说。格罗方德，在一份声明中。“随着用户体验更加身临其境的增强现实，对 AR 和 VR 产品的需求将会飙升。”

MICLEDI 是 imec 的衍生公司，是第一家在 300mm CMOS 平台上为 AR 构建 microLED 阵列的公司。晶圆间混合键合步骤使用 CMOS 背板重构 RGB microLED。对于高效波导集成，该公司在 LED 顶部使用菲涅耳透镜来提供光束整形。设计轻巧、有吸引力的 AR 眼镜取决于制造更小尺寸的 microLED，其成本可以舒适地吸收到产品价格中。

另一个例子是弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所 (ENAS) 的公司之间的合作。ClassOne 的 Ghekiere 说：“我们的电镀工具已经在多家制造商进行试生产，但成功要追溯到集成方案。“我们能否让它以最佳方式工作，使我们客户的产品具有价格竞争力，同时赋予他们技术优势？我们与 Fraunhofer 合作填补单元工艺之间的一些间隙空间的能力确实是驱动因素——电镀工作、CMP 工作、晶圆对准工作。现在我们可以实现集成，因为您将拥有在这里竞争的团队——一些世界上最大、最有价值的公司。”

完善颜色发射
MicroLED 是直接发射器，因此它们被用作裸芯片。这与 LED 和 miniLED 不同，后者组装在表面贴装封装中，引线键合到位，然后封装在环氧树脂或硅胶中。

虽然许多公司都在追求由不同晶片组装而成的原生红色、绿色和蓝色芯片，但剑桥大学的衍生公司 Porotech 已经设计出一种在单个晶片上生产所有三种颜色（红色、绿色、蓝色）的方法。“你可以拥有一个可以随时为你提供任何颜色的像素，这极大地简化并降低了组装操作的成本，”Porotech 首席执行官朱彤彤说。该公司正在寻求行业合作伙伴来帮助开发、扩展和商业化该技术。它的工作原理是在晶片表面下方创建一个多孔层，这增加了可以掺杂到晶格中的铟量。随后，Zhu 表示，使用 MOCVD 生长量子阱而不会引入任何新的缺陷。Porotech 的第一个合作伙伴是 IQE，

“我们正在启用不同的颜色，但也启用颜色纯度。例如，我们 555nm 的绿色在不同驱动条件下的色移小于 5nm，”朱说。该技术可以显着改进以低效着称的原生红色 microLED。与绿色或蓝色 microLED 相比，颜色随温度的变化更为显着。

我怎么开车？
对于其智能手表，Apple 正在使用基于硅 CMOS 的微驱动器，”Yole 的 Virey 说。“三星在玻璃上使用 TFT，但它非常复杂，有 24 层掩膜层，因此良率很低，成本很高。用于 OLED 的传统 TFT 需要 12 个掩模级别。我们看到更多关于硅驱动的论文，但它可能不是所有应用的最佳选择。”

“对于 AR 眼镜，功耗与驱动 microLED 显示器直接相关。低功耗至关重要，因为它定义了电池尺寸、电池寿命和散热要求，”MICLEDI Microdisplays 的联合创始人兼首席技术官 Soeren Steudel 说。“聪明的驱动和控制技术可以降低功耗，以及占空比管理和数字脉宽管理技术。”

工艺细节
需要最先进的制造工具来处理带有用于 AR 眼镜的数字镜片的微型显示器。“只能使用具有一定发射角的光，对于波导来说是±20°。我们需要在逐个像素级别上进行优化，以确保在 APEX 角度内发出尽可能多的光。这会显着影响系统效率，尤其是墙插效率。更大的像素与更高的镜头效率相关。

“AR 眼镜需要高亮度和高分辨率，其中分辨率与像素大小直接相关，”Steudel 说。他指出，对于全高清（1920 x 1280 像素）投影，最大像素间距为 3µm 或更小。“采用最先进的 300 毫米晶圆步进器的硅代工厂能够在有机高折射率材料中始终如一地实现非常精确的覆盖 (<20 纳米)。以 <3µm 的间距实现高度可重复的多层数字镜头需要极其精细的特征（CD <100nm）。” 根据 Steudel 的说法，要在可重复的基础上满足这些严格的公差要求，需要先进的光刻、蚀刻和 CMP 工具。“其他挑战是在蚀刻斜率、层均匀性和厚度控制方面非常严格的规格。”

微型显示器通常使用晶圆对晶圆混合键合，这是一种相对较新的晶圆厂工艺，将 GaN 器件键合到硅衬底，然后可以在 200 毫米或 300 毫米工具上进行进一步处理。在混合键合的步骤中，平面晶圆的处理是必不可少的。“CMP 至关重要。在切割成成品 microLED 显示模块之前，必须将内置 300mm 线的 MicroLED 晶圆研磨并压平到非常严格的公差，才能与 ASIC 背板晶圆键合，”Steudel 补充道。

不幸的是，随着 microLED 的尺寸缩小到 10 µm 以下，外部量子效率下降。Veeco 的 Paranjpe 说：“由于 microLED 侧壁上的载流子复合导致发光效率降低是缩放问题。” “必须优化用于定义 microLED 的台面蚀刻的蚀刻、清洁和钝化步骤，以最大限度地减少载流子的表面复合。通常，使用直接蚀刻而不是剥离图案来进行更精细的尺寸控制。”

Robinson 补充说：“随着 microLED 的规模扩大，致命缺陷的可接受阈值也变得更小，导致有害缺陷的影响增加，在背板检查时可达 90%。护理/非护理缺陷的 AI 分类对于过程控制和修复而言极为关键。”

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图 2：外部量子效率随着 microLED 尺寸的缩小而降低。资料来源：Yole Intelligence

microLED 的性能反映在内部量子效率 (IQE) 等指标上，它反映了设备中电子和空穴组合转换为亮度的效率。EQE 或外部量子效率，衡量将通过 LED 的电子转换为亮度的成功率。“我们通过在同一模块中将极低功率、稳态等离子体蚀刻步骤与原子层蚀刻工艺相结合，开发了超低损伤 GaN 蚀刻工艺，”Lam 的 Haynes 说。他补充说，这种工艺可以减少 GaN 表面的等离子体损伤，同时提供高吞吐量操作。

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图 3：为满足对坏像素的近乎零容忍，microLED 晶圆厂正在加强其在线计量、自动光学检测和测试协议。资料来源：KLA

工艺流程
microLED 制造的最基本部分涉及在 Aixtron、Veeco 和其他公司提供的金属有机 CVD (MOCVD) 工具中使用 150 毫米或更大的基板生长外延层堆叠。“必须很好地控制外延工艺步骤，以最大限度地减少限制产量的晶体缺陷、颗粒、凹坑和划痕，”KLA 工业和客户协作组的高级首席科学家 John Robinson 说。“外延层需要严格的厚度、成分和应力控制，以保持所需的波长均匀性和量子效率。在线检测和计量对于外延质量至关重要。”

工程师使用基于电致发光 (EL) 和基于光致发光 (PL) 的测试来量化光度。两者都是非接触式方法，可检测光学检测未发现的缺陷。EL 是更成熟的电气检查方法。PL 相对较新，可测量光的光谱特性，寻找发射中的缺陷，包括波长和 PL 强度，这些缺陷是在外延沉积之后和晶圆验收测试期间测量的。KLA 提供多种光学检测工具。提供 PL 和 EL 工具集的公司包括 Corbeau Innovation、Hamamatsu、InZiv、Toray 等。

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图 4：OmniPix 2.0 将光学检测、PL 和 EL 与 100nm 检测分辨率相结合，可检测最大 300mm 的晶圆。资料来源：Corbeau 创新。

在通过多层外延形成量子阱之后，步进图案化和蚀刻形成器件区域。“在形成 microLED 芯片时，控制图案缺陷对于高产量至关重要，”Robinson 说。

光刻和蚀刻定义了 N 和 P 接触焊盘，然后沉积透明的氧化铟锡 (ITO)，使电流在器件表面扩散。然后反应离子蚀刻暴露接触垫。将晶圆翻转到柔性薄膜上，然后进行晶圆研磨和 CMP 以去除基板。

“向步进光刻的过渡还需要 CD 和覆盖工艺控制。此外，薄膜沉积可能会导致晶圆形状不均匀和应力，因此需要工艺控制以满足晶圆均匀性的规范，”Robinson 说。

microLED 器件的钝化已成为关键步骤，因为它有助于减少侧壁载流子退化。“ALD 正在成为钝化的标准工艺，它显着提高了外部量子效率，”Yole 的 Virey 说。

在转移组件之前，准确的晶圆级图会指示哪些 microLED 没有缺陷且功能符合目标规格。“这些地图是下游传输过程的关键输入，”Robinson 说，并补充说在线检测和计量在背板制造过程中同样重要。“电气测试对于确保传输前的性能也是必不可少的。”

接下来，数百甚至数千个 microLED 从制造它们的晶圆转移到载体（中介层）上，或直接转移到显示器背板上。

转移技术
正在探索许多用于质量转移的方法，包括冲压、激光、辊基和使用流体的自组装。批量制造需要 99.9999 (1 ppm) 的转移良率。其中，基于印章的转印是最成熟和流行的，例如在X-Celeprint的微转印工艺中。事实上，三星正在为 The Wall TV 使用基于邮票的传输。

印章采用聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 注塑成型制造，并通过光刻和蚀刻形成带有微小 PDMS 柱的光滑层。典型的邮票尺寸为 37 x 37 毫米或 49 x 49 毫米。粘性墨水抓住 microLED 阵列，并使用激光或其他方式放置它们。ASM Pacific Technology、Shibaura、Toray 和 X-Display 等公司提供这些系统。

最近，欧盟资助的 MICROPRINCE 报告了使用基于标记的传输的成功，该公司为异构集成提供了一条代工试验线。“我们展示了高达 99% 的印刷或转印良率，偏差小于 1µm。X-FAB MEMS Foundry 的 MICROPRINCE 协调员和转移印刷项目经理 Sebastian Wicht 说，尺寸小至 100 x 100 x 5 µm 的器件可以有效地转移并堆叠在 CMOS 目标芯片上。

据 Virey 称，为了进一步提高吞吐量，几家公司正在开发多头印章系统、更大尺寸的印章或两步转移流程。

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图 5：基于印模和激光的 microLED 到背板的转移方法提供了相当的吞吐量。资料来源：Yole Intelligence

3D Micromac、ASMPT、K&S、Shin Etsu、Toray 等提供基于激光的传输工具。器件分离是通过烧蚀 GaN 的微观层来实现的，它形成了一个膨胀的氮层以促进剥离。例如，在 8 x 2mm2 的视场中，激光脉冲可以以高精度 (+-1.5um) 传输多组 microLED。选择性高的激光工艺需要进一步开发以满足显示器的吞吐量需求。

microLED 转移的第三种替代方法是在流体介质中使用 microLED 的自组装，其中预先测试的 microLED 和振荡运动促使设备在小井中沉淀。ELux Display 是夏普的子公司，正在微调这一过程。“我们最近看到了人们对自组装方法的兴趣，所以我不会把它排除在外，”Virey 说。

转移后，SMT 键合工艺使用焊料沉积和回流，将芯片键合到背板上。在这里，自动光学检测以及 PL 和 EL 进行测试。当检测到有缺陷的 microLED 时，会使用激光或其他方式移除和更换芯片，称为修复。在最终显示级别，面板制造商再次执行 AOI、EL 和 PL。

结论
尽管 microLED 显示器距离商业化还有几年的时间，但技术领域的知名人士正在汇集来自半导体、光电子和显示领域的专业知识来实现这一目标。创新的、开箱即用的方法，例如 Porotech 的所有颜色的单一 GaN 基板，以及 Aledia 的纳米线照明，鼓励行业在 microLED 方面大胆思考。