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显示行业～ P4：Micro LED 概述

发布时间：2023-11-15 浏览：488

定义

Micro-LED，又称为 mLED 或μLED，由微米级半导体发光单元阵列组成，是一种将电能转化为光能的电致发光器件，可以通过巨量转移批量地转移到驱动电路基板上，驱动电路基板可以为硬性或柔性衬底。然后利用物理气相沉积等方法在其上制备保护层和外接电极，最后进行封装。其中LED是由II-VI和III-V族化合物，如GaAs( 砷化镓 )、GaP ( 磷化镓 )、GaAsP( 磷砷化镓 )、GaN( 氮化镓 ) 等半导体制成的，其核心结构是由p型半导体和n型半导体材料形成的pn结组成的。

当对LED施加正向电压时，通过电极从n型半导体和n型半导体经过分别向空间电荷区注入电子和空穴，并在结区复合发光。Micro-LED显示技术就是在微型发光二极管（LED）的基础上进行微缩化与矩阵化，其单个发光单元尺寸在50 μm以下，且较高密度地集成在芯片上。

业内不同公司对 Micro LED 的定义不同，PlayNitride 和 Sony 公司定义 LED 芯片尺寸小于 50μm，或发光区域小于 0.003mm²称之为 Micro LED，介于普通 LED 和 Micro LED 之间的称之为 Mini LED。

LEDinside 曾经定义 100μm 作为 Micro LED 及 Mini LED 尺寸的分界，即 100μm 以上的为 Mini LED，小于 100μm 的则是 Micro LED。LEDinside 重新定义二者关键区别是有无带蓝宝石衬底，且尺寸是否在 75μm 以下。

有业内厂商定义更严格，认为无蓝宝石衬底，且尺寸至少在 50μm 为 Micro LED， 50μm-250μm 之间的为 Mini LED。

Micro-LED芯片可分为正装结构、倒装结构、垂直结构等三种主要的结构。为进一步提高性能，还可加入量子点、光栅、荧光陶瓷、光子晶体、分布式布拉格反射镜等附加结构。

行业背景

小尺寸穿戴显示，主流穿戴式电子设备主要包括智能手环和手表，要求其显示屏在室内外各种环境下都能可靠显示，并能在电池供电的情况下长时间工作，屏幕要求亮度高、功耗低、重量轻。较小的屏体尺寸（1 英寸-1.7 英寸）有助于减少 Micro LED 的工艺成本，因此智能手表是最容易突破的细分市场，厂商可以先从该领域积累经验、改进技术。

在5G信息时代，AR是继智能手机之后要发展的新一代可携带智能终端设备。AR眼镜显示屏为观察者看到的真实世界叠加了富有真实感的虚拟世界信息。AR眼镜显示屏对显示视野、亮度、对比度、分辨率、刷新率、时延都有较高的要求。嵌入AR眼镜的显示屏面积必须极小，不阻挡观察观察者看到真实的世界;AR眼镜的显示屏靠近眼睛，显示屏必须有高密度像素才能获得高分辨率。所以AR眼镜显示屏是面积极小的高分辨率显示屏。

当前的主流显示技术在许多方面将面临新的挑战。

户外可视性差，LCD属于背光显示机制，不适合户外显示。OLED虽然属于自发光机制，但太阳光环境下户外可视必须增加电流或增大像素管芯尺寸。增加电流就意味着增大功耗，这不仅会降低续航能力，还会降低OLED器件的工作寿命，而增大管芯尺寸会降低分辨率。
大尺寸显示受限。目前OLED受良品率和稳定性以及烧屏现象的制约，成本居高不下;LCD显示屏做超大尺寸，成本也居高不下。
显示响应速度慢。LCD、OLED响应速度毫秒、微秒级，很难满足高刷新率要求。
进一步省电节能难。功耗大制约便携式移动终端的续航能力;OLED功耗难以进一步降低;LCD依靠背光模式，能效不到10%。

因此，Micro-LED显示技术将迎来机遇。

技术特点

Micro LED是LED显示屏微缩化至微米级的显示技术，具有两大特点，一是采用高像素密度的二维Micro LED阵列；二是每一个像素都能够寻址控制和独立驱动发光。

Micro-LED 是新型显示技术与发光二极管（LED）技术二者复合集成的综合性技术，其具有自发光、高效率、低功耗、高集成、高稳定性、全天候工作的优点，被认为是最有前途的下一代新型显示与发光器件之一。Micro-LED 因其体积小、灵活性高、易于拆解合并等特点，能够部署在现有的从最小到最大尺寸的任何显示应用场合中，并且在很多情况下它将比液晶显示（LCD）和有机发光二极管（OLED）显示发挥更独特的效果。与LCD、OLED相比：

自发光，效率高；
功耗低，约为LCD的10%，OLED的50%;
亮度高，比OLED高30倍;超高解析度，超过1500PPI;
色彩饱和度高，120%NTSC;
响应速度快，纳秒级;
对比度极高
可视角度宽
无缝拼接可实现任意大小尺寸显示
使用寿命长达10万小时以上等。

icro LED 显示面板的设计理念是将 Micro LED 芯片直接作为显示像素点，以此作为成像的基本单位，从而实现图像显示。与 LCD、OLED、QLED 相比，Micro LED 显示具有显著优势，例如：亮度可达到 10^7 cd•cm-2，远高于其他显示方案；工作温度范围为-50~120 摄氏度；适应尺寸无限制等等。

Micro-LED有望与LCD和OLED形成优势互补，协同构建光电显示技术新格局，拓宽光电显示屏尺寸范围。在高端高阶应用上，Micro-LED可以做到超大尺寸显示;在高阶消费类产品应用上，Micro-LED可以做到超小尺寸微显示，以支撑5G信息时代对显示技术的新要求。

未来， Micro-LED 将从平板显示扩展到增强现实/虚拟现实/混合现实（AR/VR/MR）、空间显示、柔性透明显示、可穿戴/可植入光电器件、光通讯/光互联、医疗探测、智能车灯等诸多领域。若突破量化生产技术，Micro-LED 极有可能成为具有颠覆性和变革型的下一代主流显示技术，带来新一轮显示技术升级换代。

适用场景

从 Micro-LED 的产品形态上可分为两个方向：

CMOS 芯片驱动为主的高像素密度（高 PPI，PPI>1000）Micro-LED 阵列的微显示器（Micro-display），主要应用领域是 AR/VR/MR，由于驱动是采用 CMOS 芯片，主要的技术来源是 LED 产业集群和 IC 产业集群；
薄膜晶体管（TFT）或 Micro-IC 驱动的低像素密度（低 PPI，PPI<1000）Micro-LED 阵列的中小尺寸和大尺寸显示屏，主要应用于如手表之类穿戴式显示产品、中小尺寸车载显示产品、大尺寸显示屏和超大尺寸显示屏，除需要微米级 LED 芯片的光电特性高度一致之外，还需要解决微米级 LED 芯片的巨量转移和键合，采用何种驱动方式，如何实现全彩色（R/G/B LED 芯片或蓝光 LED+色彩转移）等技术问题。

高 PPI 显示

高 PPI 显示器主要应用于 VR/AR/MR，当前 VR/AR 的快速发展推动了近眼显示的需求。Micro-LED微小尺寸应用可以支撑AR眼镜近眼显示屏对高亮度、高对比度、高分辨率、高刷新率、极低时延的要求，将推动AR眼镜产业高质量发展。

VR/AR 的增长最初是由企业、军事和医疗等市场推动，随后进入量大面广的消费电子市场。近年来，已经有不少公司开发出产品。比如JBD宣布量产用于AR的Micro-LED VGA显示屏，0.13英寸显示屏的分辨率是640×480。因此，AR眼镜用的Micro-LED显示屏是目前面积最小的高分辨率显示器。

在相当一段时期内，LCD 和 OLED 仍将还会共存于高 PPI 显示市场，Micro-LED 技术是未来看好方向。考虑改善芯片制备良率、提高转移速度、扩充产能和降低成本等工艺制程的发展，到 2027 年，Micro-LED 屏出货量有望突破千万只，在 AR 领域与 LCOS、DLP 技术并驾齐驱。

中低 PPI 显示

小尺寸穿戴式显示 Micro-LED 技术应用于穿戴显示场景，具备亮度高，可靠性好的技术优势，较小的屏体尺寸（<2 英寸）也有助于减少巨量转移工艺成本。这些都是促进 Micro-LED 技术首先在穿戴应用领域取得商业突破的有利因素。而能否有效控制生产成本，将直接决定其近期的商业前景如何。智能手表是 Micro-LED 技术最容易突破的细分市场，显示屏尺寸小，成本占比低，像素要求低，因此技术门槛低、价格弹性大、固定投资低，对供应链要求低。业内普遍认为 Micro-LED 技术可以先突破该市场，积累经验、改进技术和培育供应链。

手机和平板电脑显示以智能手机和平板电脑为代表的中小尺寸应用若引入 MicroLED 显示，将带来行业的又一次洗牌。原因在于 Micro-LED 节能效果更优于 OLED。中小尺寸显示应用快速发展，尤其是存量规模巨大的智能手机市场需求变动，追求显示效果的同时致力于提高手机续航时间，引发面板的结构变动和品质提高，但是由于技术难度以及性价比与 LCD、OLED 相比的竞争力还不够，需要 3-4 年 Micro-LED 才可以在此领域商业化应用。

电视显示电视是目前显示应用体量最大的细分市场。价值在于高端大型电视，高价电视占销量的 8%，但占收入的 40％，因此整个行业的目标是提供有吸引力的功能，以增加高端市场的总规模。为推动消费市场的更新和升级，行业一直在引入各种设计和技术改进，主要从图像质量、用户体验和功能、以及外观设计几个方面来演化。尽管各显示技术激烈交锋，但业内认为 Micro-LED 技术在该领域将有一定竞争力。Micro-LED 技术将在 2021 年以后开始逐步进入电视市场，首先是“豪华电视”，2023 年以后开始进入高端电视市场。

超大显示墙大屏应用中，Micro-LED 拥有的无拼缝、高亮度、可视角度大、亮度对比度更高、画质更好等优势。三星公司于 2018 年 CES 展推出全球首款模组化拼接 146 英寸 Micro-LED TV“The Wall”提供 Full-HD 分辨率以及 73 英寸的尺寸，而最高将支持 8K 分辨率和 292 英寸的尺寸。索尼公司 2019 年在美国广播电视展（NAB）上展示了巨型“Crystal LED”8K 屏幕，该显示屏长约 10 米，高 5.5 米，换算成对角线尺寸约 440 英寸，而这一巨屏正是由多个更小的 MicroLED 屏幕模块组成，并且看不到明显的屏幕接缝。这一 Crystal LED 屏幕分辨率达到 8K*4K，像素数是现有 4K 电视的 4 倍。未来伴随 Micro-LED 的良率提升，产品量产，预计价格仍有大幅下降空间。因此，预计 Micro-LED 显示大屏由于其更出色的显示效果，将率先应用在包括户外装饰、大幅广告牌、美术馆、高端车展等高端细分领域。

车载应用 Micro-LED 由于可实现透明显示，柔性显示等，并且寿命长，亮度高，可靠性好，工作温度范围较大，用于车载领域会有很大的潜力。近几年，车载应用在互联网助推下，目前已经成为承载人车交互信息最重要的界面。车载显示主要包括仪表显示、中控显示、抬头显示（HUD）、数字式后视镜、车内娱乐显示等部分。Micro-LED 的温度稳定性满足车载显示在极高的温差环境中工作的需求。另外， Micro-LED 的高分辨率也迎合了消费者对车载显示分辨率更高的要求。车载显示追求一体化设计，生命周期比较长。但现在分离屏设计越来越多，车载显示生命周期不断缩短，与消费类电子产品显示屏趋同，具有大屏化、高清化、交互化、多屏化、多形态化优点的 MicroLED 成为车载显示应用的未来发展趋势。

技术难点

虽然Micro LED存在众多优势，但制备这样微小面积高分辨率的显示屏，工艺技术难度大，目前面临缩微制程技术，巨量转移技术，全彩化技术，缺陷修复技术和键合技术等。而芯片效率问题、巨量转移制程会对Micro LED显示器的全彩化产生直接影响。

以目前 Micro-LED 主流技术路径来看，Micro-LED 制造过程主要包括 LED 外延片生长、TFT 驱动背板制作、Micro-LED 芯片制作、芯片巨量转移四部分组成。

LED 外延片生长采用目前常规的 LED 外延片生产方式，一般采用 MOCVD 方法，在蓝宝石或四元基片上外延生长蓝绿或红黄色 LED 外延片。但是，作为 Micro-LED 显示所需的 LED 外延片，对 LED 外延片的均匀性、一致性要求很高，需要保证每个发光单元具有一致的发光特性。

Micro-LED 芯片制作则是在 LED 外延片的基础上，刻蚀成小于 10 微米尺度的单元，采用的技术与目前常规技术一致。Micro-LED 使用与 OLED、LCD 类似的 TFT 驱动背板。因而，Micro-LED 生产过程中的上述三步，均需要对现有技术进行升级，达到生产 Micro-LED 的需求。

首先，芯片效率会随着Micro LED芯片尺寸的微缩而降低，尤其是红光芯片。当芯片尺寸小于20μm以下时，EQE显著下降，而红光芯片效率与蓝绿光芯片效率之差可达5倍以上。即便有业者提出采用BGRR的方案来进行补光，但更多的LED数量意味着转移次数增加，将导致成本居高不下，因此产品竞争力并不理想。

其次，巨量转移。巨量转移是指将切割完成的百万量级的 Micro-LED 芯片，由 LED 外延片衬底，转移至驱动背板的基底。再经过一系列的封装处理，实现彩色显示。在 RGB 彩色显示方案中，要实现三种 Micro-LED 芯片的巨量转移，且需要保证三种颜色 Micro-LED 的准确排列，技术难度更高。例如一块8K的Micro LED显示屏，需要将3300多万个LED管芯有序转移到背板。这一工艺制程对效率、准确度、可靠性均有很高的要求。如果像素点出现“失误”就会在屏幕上出现“亮点”或“暗点”，所以将这些小像素完美转移是相当困难的，在生产过程中造成的损耗也是巨大的，间接造成了Micro LED显示产品成本的上升，这也在商用市场上暂时制约了其发展。巨量转移是指将切割完成的百万量级的 Micro-LED 芯片，由 LED 外延片衬底，转移至驱动背板的基底。再经过一系列的封装处理，实现彩色显示。在 RGB 彩色显示方案中，要实现三种 Micro-LED 芯片的巨量转移，且需要保证三种颜色 Micro-LED 的准确排列，技术难度更高。

巨量转移技术方法虽有多种，现阶段巨量转移方式，多数厂商采用Wafer Bonding（晶圆键合）、Chip Bonding（芯片键合）方案，也就是将晶圆或芯片与CMOS背板结合的制程，但目前仅能实现单一颜色，全彩化制程面临较大挑战，而Laser Transfer（激光镭射转移技术）可以解决这个问题，实现微显示器的全彩化规格，目前K&S、Coherent等正在积极研发，但此方案尚未进入大量生产阶段，且设备非常昂贵，而这也成为Micro LED微显示器商业化的一大阻碍。

Micro-LED 实现彩色显示，主要有两种解决方案，RGB 三色 LED 法、紫外（UV）LED /蓝光 LED+发光介质法。RGB 三色方案即每个像素中包含三个 RGB 三色 LED，一般采用倒装或检核的方式，将每个 LED 的正负极（P、N 电极）与电路基连接。使用 LED 全彩驱动芯片对每个 LED 芯片进行定址、独立的电流驱动，从而实现成像。紫外（UV）LED 或蓝光 LED 叠加发光介质的方法同样可以用来实现全彩色化显示。以使用蓝光 LED 为例，需要搭配红、绿色发光介质即可实现彩色显示。。发光介质一般可分为荧光粉和量子点材料。量子点具有发光效率高、単色性好的特点，因而量子点显示效果具有高色彩纯度的特点。此外，目前常采用的涂覆技术有旋转涂布、雾状喷涂技术等，将雾状的量子点材料均匀的喷涂到紫外 Micro-LED、蓝光 Micro-LED 上实现色彩转换。目前该方案需要解决的主要问题主要是量子点技术不够成熟，难以承受高温，因而必须与 Micro-LED 芯片做好隔热处理；保证喷涂过程中个颜色的均匀性、避免不同颜色的量子点之间的相互干扰等问题也需要进一步解决。

发展现状

近年来 Micro-LED 异军突起，迅速成为显示领域的研究热点，在全世界范围内引起各大公司及科研院所的重视，并相继投入大量人力物力进行研发和布局，包括苹果、索尼、Facebook、三星、LG、台积电、富士康等公司各自投入大量资金研发，孵化出一批 Micro-LED 相关的初创公司如 LuxVue、PlayNitride、Mikro Mesa、mLED、JBD、 JDC、领导光电、思坦科技等企业，而京东方、海信、三安光电、乾照光电、利亚德、PlayNitride、台湾工研院（ITRI）、友达、群创等纷 2 纷加入研发 Micro-LED 的阵营。据不完全统计，全世界目前从事 Micro-LED 研究的单位已经超过 160 家，其中有 60 余家分布在中国。

关注和从事 Micro-LED 显示开发有三类产业集群，

一是 LED 产业集群（含 LED 外延生长、封装和传统户外 LED 显示屏企业）；
二是生产大尺寸 LCD 和 OLED 显示面板产业集群；
三是集成电路（IC）产业集群。

这一年来全球Micro LED厂商在红光芯片效率、巨量转移和全彩化问题上取得了较为显著的成果，在一定程度上点燃了企业、投资者和消费者对Micro LED的信心。

此外，另辟蹊径借助硅微电子技术，最近研发了一种单片Micro-LED微显示技术，把微米级Si基Micro-LED阵列通过倒置结构与高效CMOS驱动背板的晶圆键合，实现晶圆级光电异质集成。单片Micro-LED微显示全彩化尚有待解决，目前已开发出蓝色或绿色的单色单片微显示阵列芯片。这种单色单片Micro-LED微显示芯片拥有广阔的应用前景。

全球现有的Micro LED显示器仍主要以单色为主，TCL雷鸟虽已率先发布了首款双目全彩光波导Micro LED AR眼镜。单色单片Micro-LED的全彩化微显示可借助目前AR的技术途径来实现。例如将红、绿、蓝三种颜色的单色面板分别固定到X-cube的三个面，合成光从第四个面发出，并由一组微透镜准直及投射;也可将红、绿、蓝三个独立的单色光机通过衍射波导实现合色。

目前Micro LED显示产品已经问世，除索尼，三星等国际显示产品头部企业陆续推出Micro LED显示产品，国内LED显示屏龙头企业都在进行进一步的技术研发。