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哪有吃燒餅不掉芝麻的?論Micro LED三大挑戰

  • 詹益仁

Micro LED還是會找到它安身立命的地方,如智慧手錶、AR、VR等利基型產品,但可能不會在中大型的顯示器上。(示意圖,非Micro LED產品)Unsplash

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。

在電子訊號的世界堙A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。