寿命长、稳定性高的μLED技术简介

宽能隙（Wide Bandgap）半导体氮化镓（GaN）及其相关化合物半导体材料，被广泛开发用于照明及各种光电元件上。氮化镓发光二极体（GaN LED）发光波长涵盖绿光至深紫外光波段，在可预见的未来，将完全取代传统白炽灯泡及萤光灯做为照明光源。

　　另一种潜在的光电元件是微光电阵列元件（Micro Optoelectronic Device），该元件集合成千上万如发光体（Emitter）、侦测器（Detector）、光学开关（Optical Switch）或光波导（Optical Waveguide）等微型元件于单一晶片上。工研院预期微光电阵列元件未来将在显示、生医感测（Biosensor）、光通讯或光纤通讯、光互连 （Interconnect）及讯号处理（Signal Process）领域上扮演重要角色。

　　微发光二极体阵列（Micro LED Array）透过定址化驱动技术做为显示器，除具有LED的高效率、高亮度、高可靠度及反应时间快等特点，其自发光显示--无需背光源的特性，更具节能、机构简易、体积小、薄型等优势。Micro LED比起同样是自发光的有机发光二极体（OLED）显示器，有较佳的材料稳定性、寿命长、无影像烙印等问题，其独特的高亮度特性在投影式显示应用，如微投影（Pico Projection）、头戴式光学透视显示器（See-through HMD）、抬头显示器（Head-up Display， HUD）等，更具竞争力。此外，奈秒（Nano Second）等级的高速响应特性使得LED显示器除适合做叁维（3D）显示外，更能高速调变、承载讯号，做为智慧显示器的可视光无线通讯功能。

　　Micro LED技术塬理

　　Micro LED微显示器的晶片表面必须製作成如同LED显示器般之阵列结构，且每一个点画素（Pixel）必须可定址控制、单独驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体（CMOS）电路驱动则为主动定址驱动架构，Micro LED阵列晶片与CMOS间可透过封装技术，如覆晶封装方式（Flip Chip Bonding）形成电性连结。黏贴完成后Micro LED能藉由整合微透镜阵列（Microlens Array），提高亮度及对比度。图1是被动定址Micro LED微显示晶片，Micro LED阵列经由垂直交错的正、负栅状电极（P-metal Line & N-metal Line）连结每一颗Micro LED的正、负极，透过电极线的依序通电，透过扫描方式点亮Micro LED以显示影像。主动驱动显示器比被动矩阵驱动方式更节能、更快反应速度，向来是高解析显示器主流驱动方式。

　　图1 Micro LED被动定址阵列架构示意图及晶片照片

　　Micro LED技术挑战亟待突破

　　Micro LED（《50微米（μm））存在有别于一般尺寸（》100微米）LED的特性。例如一般尺寸LED几乎没有电流拥挤（Current Crowding）、热堆积等问题，且因晶格应力释放及较大出光表面而可能有较佳的效率等优势。相对的，较大表面积的Micro LED可能因表面缺陷多而有较大的漏电路径，微小电极提高串联电阻值，都会影响发光效率。因此，微型LED阵列化製程开发及微型LED的结构设计须克服上述问题。此外，Micro LED的均匀度关係到成像品质及产品良率，为技术开发挑战之一。

　　事实上，目前的Micro LED微显示器均为单光色，塬因在于单一基板上很难同时有磊晶成长不同波长，并且保持高品质的LED。因此，据文献资料显示，美商3M可能以波长转换的方式将蓝光（或UV）光透过量子井光激发层转成红、（蓝）、绿光，构成叁塬色光模式（RGB）画素。而索尼（Sony）、OKI等厂商则倾向採用以分次转贴红、蓝、绿光Micro LED磊晶薄膜的技术（Epi-film Transfer），构成彩色Micro LED阵列。在Micro LED画素大小约10微米尺度下，RGB阵列技术是全球各团队亟待突破的技术瓶颈。

　　各国技术研发迭有进展

　　德州科技大学（Texas Tech University）的江教授团队在2011年底发表了至目前为止，全球密集度最高（1，693dpi）的绿光主动定址Micro LED阵列晶片（图2），达视讯图形阵列（VGA）（640×480）解析度。此种微显示器结合Micro LED阵列和CMOS的驱动积体电路（IC），每个Micro LED单体下都有一驱动电晶体电路，可个别控制发光。

　　图2 德州科大所开发的主动定址微晶粒发光二极体阵列微显示器

　　美国Ostendo Technology公司透过优化半导体製程中的微影及蚀刻技术（图3），在4吋LED晶圆上实现均匀度98%，密集度高达2，450dpi的Micro LED阵列。此技术的开发有助于高解析的LED微显示器实用化。Ostendo也将运用此技术製作雷射二极体（LD）阵列，做为投影显示源，此举将比 LED微显示器在投影应用上，具有更佳的光学效率。

　　图3 Ostendo Technology公司开发Micro LED阵列点距10μm的製程技术

　　英国Strathclyde大学的Dawson教授在Micro LED的研究上投入颇多，图4为其製作的64×64微显示器。他们并将微透镜（Microlens）积体电路整合到Micro LED阵列上，用来提高显示器亮度。2010年中研究团队更衍生成立mLED公司，提供Micro LED技术平台，配合客户开发生医、微显示、列印、半导体製程光源等相关应用模组或产品。

　　图4 mLED开发的64×64 Micro LED阵列

　　图5为工研院电光所製作之240×160 Micro LED元件。元件尺寸为7.4毫米（mm）×4.9毫米，Micro LED画素间距为30微米（846dpi）。工研院电光所目前已製作出红、蓝、绿光的Micro LED阵列，并朝整合红、蓝、绿叁光色Micro LED在单一晶片中开发，以实现单晶片Micro LED全彩显示晶片。

　　图5 工研院电光所製作的240×160蓝光LED微晶粒阵列元件影像

Micro LED应用范畴扩大

　　Micro LED微显示器的潜在应用包含微投影机（Pico Projector）、头戴式显示器及抬头显示器等。

　　目前微投影技术以数位光线处理（Digital Light Processing， DLP）、反射式硅基板液晶显示（Liquid Crystal on Silicon， LCoS）、微机电系统扫描（MEMS Scanning）叁种技术为主，但这叁种技术都须使用外加光源，使得模组体积不易进一步缩小，成本也较高。相较之下，採用自发光的Micro LED微显示器，不须外加光源，光学系统较简单，因此在模组体积的微型化及成本降低上具优势（图6）。国际上开发此种投影架构技术的组织或团队包括 OKI、香港科技大学、Ostendo等公司。OKI已有单光色高画质（HQ）VGA Micro LED雏型展示，香港科大则在红、蓝、绿光Micro LED整合到主动驱动电路基板上已有初步成果。

　　图6 Micro LED微投影技术与LCoS、DLP和Laser Scanning传统微投影技术架构示意

　　Micro LED微投影技术的目标市场在消费性行动电子，特别是技术门槛较高的手机微投影应用。投影模组要内建于手机中，模组体积厚度须小于6毫米、体积大小1立方公分左右，而能被消费者接受的关键之一就是其功耗须在合理的1瓦（W）内，且投影亮度至少须达100流明（lm），此亮度可在大部分微投影使用场域的环境亮度下（150Lux）、A4大小的投影像维持10以上的对比度，而不被环境光刷白（Washout）。消费性行动电子产品在2012年有二十亿件以上的市场，若投影应用有5%的渗透率，则将有一亿件以上的市场机会。

　　无所不在的显示（Display Everywhere），是不远的未来日常生活情境，Micro LED投影式显示技术，凭藉节能及高亮度特点将扮演关键角色。　图片来源：Google

　　在头戴式光学透视显示器的应用上，1980年代中期开始有穿透式液晶面板的使用，装置重量得以减轻，效果虽不尽如人意，但改良后的产品已经可以被应用在军事、模拟训练等用途。其后又陆续出现使用LCoS和OLED微显示器且更轻巧的头戴式显示器。将Micro LED投影模组应用于头戴式显示器上，可带来高色彩饱和度、高对比、轻量、微型、低耗电等优点。

　　头戴式光学透视显示器因Google推出Projection Glass或称Google Glass，结合扩增实境（Augmented Reality， AR）功能，预期将会有明显的成长。据Markets and Markets的研究报告指出，2012？2017年头戴式光学透视显示器全球市场规模将以年复合成长率（CAGR）60%的速度达到44.78亿美元的规模。Google Glass的See-through HMD应用，以低功耗、微型、轻量、解析度的规格来看，自发光的OLED及Micro LED有机会在体积及功耗上胜出，Micro LED在解析度上短期内不及OLED，但可凭藉功耗及可靠度的优势，区隔市场，取得一席之地。