星期六
,8月 15日, 2020 (台北)
哪有吃燒餅不掉芝麻的？論Micro LED三大挑戰
在個人先前的文章中，曾說過Micro LED是個終極的顯示器，它不需要背光，不需要彩色濾光片，不需要液晶來控制光的輸出，當然也就沒有了偏光片。相較於OLED，Micro LED本身是無機物，在製作及使用過程中，是不需要擔心水及氧氣的侵襲。而LED紅藍綠三原色的光譜又窄，有絕佳的色度及飽和度。最後一個優勢就是省電了，尤其對於攜帶式產品更是重要，因此沒有任何一種顯示器能夠望其項背。
然而大家也都知道Micro LED最大的罩門在於巨量轉移(mass transfer)，巨量轉移已被研究超過十年，用盡各種方法，但到底有沒有解，並達到經濟的生產規模？也就是有沒有辦法在吃燒餅的時候，可以不掉芝麻？以下是個人的一些看法。
在一個4K 65吋的顯示器，大概需要轉移2,500萬顆的Micro LED，而每顆的邊長在10~20微米。這些數字相較於最先端的半導體技術，如5奈米製程及數十億顆電晶體做在一個晶片上，一點都不驚人。然而不論就半導體以及顯示器產業，所有主要的製程都是晶圓及面板在絕對靜止的情況下完成的。但是Micro LED巨量轉移需要完成抓取、移動及放置三個動態的過程，而一次的抓取需要10萬顆以上。動態的過程中，機台及環境的各項參數是很難掌握而且隨時在變更。
Micro LED的巨量轉移，又得需要分別轉移紅藍綠三種不同顏色的LED晶片，這又使得困難度變成了3次方倍，而不是3倍。筆者在美國當研究生時，有時為了精密的微影實驗，必須等到夜深人靜時，建築物中沒人在走動才能進行。
在無法達到百分百的巨量轉移條件下，修補勢必是無可避免的。雖然也有不少有創意的修補方法被提出，但這些都是成本，而且所費不貲。幾年前曾有單位提出只巨量轉移藍光LED，而利用綠色及紅色螢光粉塗布在藍光LED上，如此就可以完成紅藍綠三原色的Micro LED，同時也增加了巨量轉移的成功率，以及減少修補的成本。然而將螢光粉直接塗布在LED上，是會受到熱影響而讓螢光粉產生劣化，可靠度是個問題。
Micro LED的第二個挑戰是半導體磊晶的均勻性。LED需將不同的原子成長在藍寶石(sapphire)或砷化鎵(GaAs)的基板上，有時需將3種甚至4種原子，依照固定的比例，一層一層地成長在基板上。這個過程都在1,000度以上的高溫，並混合了5、6種的氣體進行化學反應。若其中四元化合物的一個元素的組成偏離了1%，會造成10幾奈米波長的偏移。
在電子訊號的世界裏，電壓及電流相當程度的偏移，通常是可以被接受的。但是對於顯示器而言，人的眼睛是非常靈敏，稍為的色偏很容易被察覺出來的。這也是為什麼在中大尺寸顯示器上，製作上仍習慣採用彩色濾光片，如三星前陣子提出的量子點(QD)濾光片，因這樣對於顏色的均勻性較容易掌握。
Micro LED的第三個挑戰是放大(scale up)。我們都知道放大是商品化過程中很重要的一環，以達到經濟規模並且降低成本。IC晶圓製造及面板顯示產業都是依靠放大來不斷降低成本。IC晶圓製造在微縮過程中，雖然有相當的資本投入，但是因為微小化，每片晶圓產出晶粒的數目變多了，因此每一個技術世代也都有三成左右的成本下降。面板業也是依靠不斷加大玻璃板的面積，使得在相同的製作流程中，產出更多的面板而降低成本。
但是Micro LED卻很難有scale up的空間。首先藍寶石基板因為晶體結構的關係，很難有6吋以上晶圓的產出。再者10~20微米的Micro LED，已沒有空間做更進一步的微縮，因為再繼續縮小，四周的暗區(dark area)將導致沒有足夠光源的產生。最後巨量轉移是Micro LED的關鍵，而這部分基本上是一個封裝業，要多一倍的產能，就需要多一倍的資本支出。所以基板無法加大，尺寸無法縮小，再加上關鍵製程無法有效放大，這就是Micro LED在商品化過程中最大的挑戰。
Micro LED還是會找到它安身立命的地方，畢竟是受人如此的青睞，尤其在小尺寸可攜式的顯示器，如智慧手錶、AR、VR等利基型產品，但不會在中大型的顯示器上。我曾多次嘗試在吃燒餅的時候不掉芝麻，但都沒有成功過！
曾任中央大學電機系教授及系主任，後擔任工研院電子光電所副所長及所長，2013年起投身產業界，曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。
