Технология микросветодиодов: архитектура, эволюция и перспективы коммерческого применения.

Технология Micro LED, являющаяся ключевым направлением развития дисплеев следующего поколения, вышла за рамки этапа «технических испытаний». Сейчас она находится на ранней стадии технической зрелости и официально вступила в «первый год применения».

Эта инновационная технология интегрирует высокоплотные самосветящиеся диоды микрометрового масштаба на подложку драйвера. Благодаря многомерным технологическим прорывам она активно меняет ландшафт индустрии дисплеев.

Базовое понимание микросветодиодов

Техническое определение

Микросветодиоды (сокращенно от микросветодиод, также известные как mLED или μLED) — это передовая технология отображения, которая позволяет истончить, миниатюризировать и разместить в матрице традиционные светодиоды. Размер пикселя варьируется от 1 до 100 микрометров. Это всего лишь 1% от размера обычных светодиодов. Более того, шаг пикселя уменьшился с миллиметров до микрометров, поскольку экран состоит из матрицы отдельных светодиодных элементов.

Принцип отображения

Каждый пиксель Micro LED состоит из трех субпикселей: красного, зеленого и синего. Важно отметить, что каждый субпиксель может управляться независимо, что позволяет точно регулировать яркость, цвет и контрастность. В массиве используются перекрещивающиеся положительные и отрицательные электроды сетки для подключения к выводам каждого Micro LED.

Изображения отображаются путем последовательного включения этих электродных линий и сканирования для подсветки пикселей. В некоторых конструкциях свет от светодиодов дополнительно обрабатывается с помощью комбинации линз, зеркал и цветовых фильтров. 

Основные базовые процессы

Основной производственный процесс микросветодиодов включает три ключевых этапа.

Во-первых, это позволяет истончить, миниатюризировать и расположить светодиодную структуру в виде массива.

Далее, с помощью высокоточной технологии микроизготовления осуществляется перенос партий микросветодиодов на жесткие, гибкие или прозрачные подложки для печатных плат.

Наконец, в процессе используется физическое осаждение для создания защитного слоя и верхнего электрода, после чего подложка инкапсулируется для формирования простой, но функциональной дисплейной панели.

Связанный:

MiP или стеклянная подложка: какой путь лучше для микросветодиодного дисплея?

Основные технические преимущества микросветодиодов

Благодаря уникальным техническим принципам и конструкции, технология Micro LED обеспечивает всесторонние характеристики, значительно превосходящие традиционные технологии отображения. Ее основные преимущества можно суммировать следующим образом:

Превосходные оптические и цветовые характеристики.

В микросветодиодах используются полупроводниковые материалы с прямой зонной щелью, такие как GaN. В результате их спектр излучения имеет ширину на половине максимума (FWHM) всего 20 нм, охватывая 120% цветового пространства NTSC.

В сочетании с технологией преобразования цвета на основе квантовых точек этот цветовой охват может расшириться до 150% sRGB. Это обеспечивает превосходную цветопередачу и точность. Примечательно, что это устраняет необходимость в подсветке и цветовых фильтрах, обеспечивая сверхвысокий динамический коэффициент контрастности до 1 000 000:1.

Низкое энергопотребление и высокая яркость

Кроме того, его энергопотребление составляет всего 10% от ЖК-дисплеев и 50% от OLED-дисплеев. При этом его яркость в 10 раз выше, чем у OLED-дисплеев, достигая максимальной яркости в 4000 нит.

Кроме того, при том же уровне яркости Micro LED занимает всего 10% площади покрытия OLED-дисплеев. Это позволяет сэкономить ценное пространство на поверхности устройств и интегрировать больше датчиков.

Высокая надежность и длительный срок службы

Изготовленные из неорганических материалов, Micro LED позволяют избежать проблем старения, характерных для органических слоев OLED. Они не только полностью решают проблему выгорания экрана, но и обеспечивают срок службы более 100 000 часов. Более того, время отклика на уровне наносекунд устраняет размытие изображения при движении, что делает их идеальными для высокоскоростных динамических сценариев отображения.

Высокая степень интеграции и гибкие форм-факторы

Шаг пикселя в микросветодиодах может быть уменьшен до значения ниже P0.1, а максимальная плотность пикселей составляет 1800 ppi. Они также совместимы с жесткими, гибкими и даже прозрачными подложками.

Для гибких подложек радиус изгиба может быть менее 1 мм, что позволяет создавать тонкие и легкие конструкции, а также открывает потенциал для гибких и прозрачных форм-факторов.

Реализовано:

Каким образом технология MIP-процесса позволяет добиться прорыва в производстве светодиодных дисплеев сверхвысокой четкости с малым шагом пикселя?

Архитектура ключевых компонентов и технические узкие места

Техническая система Micro LED включает в себя многомерное высокоточное проектирование и производственные процессы. Однако она по-прежнему сталкивается с рядом критических проблем, которые необходимо решить:

Слой микросхемы

В микрочипе используются светодиоды на основе InGaN. Его структура, снизу вверх, включает сапфировую подложку, буферный слой GaN, слой GaN N-типа, активный слой с многослойной квантовой структурой (MQW), контактный слой GaN P-типа и слой распределения тока.

Активный слой MQW излучает свет за счет рекомбинации электронов и дырок, а количество слоев напрямую влияет на светоотдачу и стабильность длины волны.

В процессе производства:

Технология MOCVD используется для точного контроля потока газа при температуре 1000–1100℃, что позволяет осуществлять эпитаксиальный рост материалов GaN.

Затем применяется ICP-травление для формирования независимых пиксельных элементов, в которых через сапфировый слой прорезаются канавки для электрической изоляции.

Наконец, на слоях GaN N-типа и P-типа изготавливаются омические контактные электроды из Ti/Au, которые в сочетании с токораспределительным слоем из Ni/Au оптимизируют боковое распределение тока.

Основная проблема здесь заключается в том, что эффективность красных микросветодиодов значительно ниже, чем у синих и зеленых чипов. Кроме того, обеспечение стабильности яркости и длины волны на миллионах чипов остается сложной задачей. Для этого требуются прорывы в области новых полупроводниковых материалов и технологий контроля качества при точном производстве.

Технология массопереноса и склеивания

Еще одна важнейшая проблема связана с технологией массопереноса и склеивания. Это важнейший этап для промышленного внедрения микросветодиодов. Этот процесс требует точного переноса миллионов или даже миллиардов микрометровых чипов с подложки для выращивания на объединительную плату драйвера с точностью ±1 мкм и выходом годных изделий более 99.99%.

В настоящее время существует три основных технических направления:

• Лазерная подгонка (LLO): подходит как для жестких, так и для гибких материалов.
• Жидкостная самосборка: недорогая, но медленная по скорости.
• Эластичный штампованный перенос: совместим с панелями больших размеров, однако предел текучести ограничен деформацией материала.
• Для соединения используются металлическая эвтектическая сварка Sn-Ag или микроконтактные соединения, обеспечивающие электрический контакт между микросхемами и подложкой, при этом высота соединения контролируется в диапазоне 1–5 мкм.
• Сегодня в этой области исследования и разработки сосредоточены на повышении скорости и производительности транспортировки. Параллельно разрабатываются новые технологии, такие как роликовая транспортировка, с целью снижения затрат до приемлемого для рынка уровня.

Архитектура схемы драйвера и объединительной платы

Что касается схем управления, Micro LED предлагает три режима работы:

Пассивная матрица (ПМ):

Простая по конструкции, но с высоким энергопотреблением. Подходит для сценариев с низким разрешением, например, для умных часов.

Активная матрица (АМ):

Интегрирует независимые схемы драйверов TFT-дисплеев для каждого пикселя. Поддерживает высокое разрешение и управление оттенками серого. Поэтому является основным решением для гарнитур дополненной и виртуальной реальности.

Полуактивная матрица:

Сочетает в себе преимущества PM и AM, используя управление одним транзистором, при этом характеристики находятся между двумя этими типами.

Выбор материала для объединительной платы должен соответствовать сценариям применения:

Стеклянные подложки:

Они обеспечивают высокую плоскостность и низкие коэффициенты теплового расширения, что позволяет использовать сверхмалые шаги пикселей ниже P0.4 для дисплеев высокого класса.

КМОП-технология на основе кремния:

Отличается высокой степенью интеграции. Идеально подходит для микродисплеев дополненной реальности.

Гибкие подложки:

Подходит для носимых устройств.

В настоящее время основная потребность в технологии подложек заключается в разработке подложек, способных выдерживать массивные микрочипы микрометрового масштаба, обеспечивая при этом эффективное и независимое управление. В секторе экранов больших размеров исследуется технология низкотемпературных поликристаллических кремниевых (LTPS) стеклянных подложек.

Дизайн упаковки и оптики

Технология упаковки развивается по двум основным направлениям:

Схема MiP:

Сначала микросхемы упаковываются в отдельные устройства типоразмера 0202, а затем монтируются на печатные платы. Благодаря выходу годных изделий более 99% и совместимости с существующими производственными линиями, в краткосрочной перспективе эта технология займет лидирующие позиции на рынке коммерческих дисплеев.

Упаковка на основе стекла:

Осуществляет массоперенос и упаковку непосредственно на стеклянных подложках. Хотя теоретически это дешевле, текущий выход годной продукции составляет всего около 85%, что требует дальнейшего улучшения.

Для улучшения оптического качества используются два основных метода:

Технология наноимпринтинга позволяет создавать массивы микролинз на поверхностях пикселей, повышая эффективность извлечения света более чем на 30%.

Нанесение материалов на основе квантовых точек на синие светодиодные чипы для эффективного полноцветного отображения. Однако стабильность и светоотдача материалов на основе квантовых точек остаются ключевыми проблемами.

Технологии осмотра и ремонта

Для обеспечения высокой производительности панелей Micro LED оснащена комплексной системой проверки и ремонта.

Онлайн-инспекция использует камеры высокого разрешения и алгоритмы искусственного интеллекта для выявления неисправных пикселей с точностью ±0.1 мкм. Лазерный ремонт использует энергию лазера для сплавления или повторного соединения электродов, обеспечивая показатель ремонта более 95%. Кроме того, в схеме драйвера резервируются пиксели-резервисты для компенсации неисправных пикселей путем переключения цепей. Это позволяет дополнительно защитить качество изображения.

Технологическая эволюция и структура производственной цепочки

Ключевые технологические прорывы

В последние годы в области Micro LED был достигнут ряд значительных прорывов. В сфере массопереноса технология кремниевых нанопроводов компании Aledia позволила повысить выход годных изделий до 95% при скорости переноса 50 000 чипов в секунду.

Для микросхем драйверов технология смешанного управления Hybrid PWM+PAM от TBSilicon обеспечивает частоту обновления 1200 Гц при яркости 1 нит. В полноцветных дисплеях компания Konka реализовала массовое производство полноцветных чипов размером 15×30 микрометров с выходом годных изделий 99.9% благодаря технологии гибридного массопереноса.

Структура промышленной цепочки

Исходные материалы:

Уровень локализации сапфировых подложек превысил 60%. Однако получение высокооднородных эпитаксиальных пластин GaN по-прежнему зависит от зарубежных компаний, таких как японская Sumitomo Electric, что оставляет ample возможности для замещения отечественными материалами.

Производство в сегменте транспортировки и переработки нефти и газа:

 Компании San'an Optoelectronics и HC Semitek построили линии по производству 8-дюймовых микросветодиодных пластин, а BOE и Tianma Microelectronics создали производственные линии 6-го поколения на основе стекла, которые обеспечивают крупномасштабное массовое производство основных технологических процессов.

Приложения ниже по течению:

Sony и Samsung доминируют на рынке профессиональных дисплеев, в то время как Apple и Meta ускоряют исследования и разработки микродисплеев для дополненной и виртуальной реальности. Прогнозируется, что к 2030 году доля автомобильных проекционных дисплеев (HUD) достигнет 8.5%.

Резюме

Благодаря технологическим инновациям, таким как миниатюризация чипов, массоперенос и интегрированное управление, технология Micro LED превзошла традиционные технологии отображения, такие как LCD и OLED, по своим характеристикам.

Несмотря на сохраняющиеся проблемы, такие как высокие затраты и недостаточный выход годной продукции в некоторых ключевых процессах, ожидается постепенное снижение издержек. Этому способствуют постоянные прорывы в области упаковки на основе стекла, однокристальных полноцветных дисплеев и других ключевых технологий, а также экономия за счет масштаба, достигаемая благодаря промышленному сотрудничеству.

По прогнозам, к 2030 году объем мирового рынка Micro LED превысит 20 миллиардов долларов. Он станет не только ключевым двигателем модернизации новой индустрии дисплеев, но и продолжит создавать новые точки роста бизнеса в высокотехнологичном коммерческом применении, потребительской электронике, автомобильной промышленности, дополненной и виртуальной реальности и других областях.