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叠层式Micro LED进展浅析

近眼显示

2023-02-24

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Micro LED技术虽可应用在AR、VR、智能手表为代表的小尺寸可穿戴设备领域，但目前实际应用案列少之又少。以AR眼镜为例，据不完全统计，2022年应用Micro LED技术眼镜仅有3款，分别是李未可的Meta Lens、Vuzix的Shield和Tooz的ESSNZ Berlin智能眼镜。

虽较Micro OLED技术有更明显的优势，但Micro LED微显示应用之路并不顺畅。归根到底，问题仍是Micro LED技术发展较缓慢，制造工艺尚不成熟，产品成本、质量与红光芯片效率问题依旧存在，全彩化、近眼高分辨率显示效果难以实现，因此目前Micro LED无法在微显示领域大规模应用。

尽管如此，对于Micro LED技术的研发，LED企业与学术界从未停止，通过探索不同技术方案，逐步完善Micro LED技术，加速缩短Micro LED在微型显示领域的应用进程。

近日，以麻省理工为首的研究团队，在全彩叠层结构Micro LED（Stacked RGB Micro LED）方面的研究有新突破。未来，该方案或成为影响Micro LED微型显示应用发展的关键因素。

全彩叠层结构Micro LED示意图（图片来源：麻省理工）

该研究团队开发了全彩垂直叠层结构的Micro LED，分辨率高达5100PPI，尺寸仅为4μm，号称是目前所知拥有最高阵列密度和最小尺寸的Micro LED。产品高分辨率和极小尺寸的特点，适配了近眼微显示电子设备的应用需求。

该研究成果进一步推动了叠层式结构Micro LED的发展应用，也再度引起了LED行业对这一技术方案的关注。

具体来看，该方案的特别之处在于，相较传统平行排列结构的RGB Micro LED芯片所形成的单个像素，叠层排列方案的应用可在缩小显示模组尺寸的同时，提高Micro LED显示器的画质与生产效率。

详细来说，叠层结构使单个像素占用的空间更少，因此在单位面积内可实现更高的像素密度，从而满足微显示设备对小尺寸、高清分辨率显示模组的应用需求。

在生产方面，由于叠层式结构的应用，RGB三色芯片集成于单一芯片上，使Micro LED芯片转移至基板的时间缩短，放置精度获得提高，从而优化了Micro LED显示器的生产效率与成本。

由于结构的转变，Micro LED的生产和应用获得了更多可能性，因此近年来，陆续有国内外企业与高校、科研单位参与到叠层式结构Micro LED的研究里，推动该技术持续进步。

叠层式Micro LED研究获重视，国内外产学研齐发力

据LEDinside不完全统计，首尔伟傲世、Lumens、Sundiode、诺视科技等国内外LED企业，以及国内的清华大学研究团队在近年均参与到叠层式Micro LED的研究当中：

首尔伟傲世

2022年，首尔伟傲世展示了WICOP Pixel全彩单芯片显示技术，其特点是无需引线、封装与透镜结构，并通过垂直叠层的方式放置红、绿和蓝光（R/G/B）三颗Micro LED芯片。

WICOP Pixel技术的应用，将Micro LED显示屏生产工序减少到三分之一，并提高了Micro LED的良率，降低了制造成本，同时还把Micro LED的发光面积缩小到现有平面结构产品的三分之一，获得了深黑的颜色和清晰图像。

WICOP Pixel全彩单芯片显示技术

今年2月，首尔伟傲世展示了基于WICOP Pixel技术的Micro LED显示屏，亮度提高到了4000nits，将Micro LED的应用范围扩大到包括AR、VR在内的元宇宙领域。

Lumens

今年初，韩国LED开发商Lumens宣布，已开发用于Micro LED生产的RGB外延片Monolithic，单个外延片产品是由RGB三光色外延片堆叠而成。在红光LED材料上，Lumens改用与蓝光、绿光相同的氮化铟镓材料，更易于叠层式芯片的加工与生产。

RGB外延片Monolithic（Lumens）

Sundiode

2021年4月，美国Micro LED微显示公司Sundiode公布了其专有的堆叠式RGB Micro LED像素技术，可将单晶圆上的叠层式RGB Micro LED像素阵列直接接合到硅基CMOS背板上。

同年11月，Sundiode展示了叠层式RGB Micro LED全彩显示器，采用主动矩阵硅基CMOS背板驱动技术，Micro LED芯片尺寸为100μm，显示器尺寸为15.4mm×8.6mm，分辨率为200PPI。

堆叠式RGB Micro LED全彩显示器（Sundiode）

2023年初， Sundiode与GaN技术开发商Soft-Epi，共同实现在单个蓝宝石晶圆上生长单片全InGaN RGB LED结构。

堆叠式RGB Micro LED像素技术（Sundiode）

诺视科技

2022年底，国内Micro LED技术开发商诺视科技成功点亮0.39英寸的Micro LED微显示屏，产品采用WLVSP（Wafer Level Vertically Stacked Pixels，晶圆级垂直堆叠像素）技术方案开发。

XGA Micro LED微显示屏（诺视科技）

清华大学

2021年5月，清华大学电子工厂系研究团队开发了基于叠层式红、绿、蓝三色（RGB）的Micro LED器件阵列设计。

堆叠RGB Micro LED阵列的示意图和实物图（清华大学）

通过外延剥离和转移印刷的方法，将基于不同无机III-V族单晶半导体结构的薄膜式Micro LED，包括铟镓磷基（InGaP）红光LED、铟镓氮基（InGaN）绿光和蓝光LED（尺寸~100μm2，厚度~5μm）异质集成，形成垂直堆叠结构。同时，通过设计具有波长选择透过的光学薄膜作为Micro LED之间的界面层，提高了器件的发光效率和辐射性能。

与传统并排放置的RGB器件结构相比，在同等器件尺寸下，叠层结构比并排结构可将显示分辨率提升三倍，不仅提高了器件的发光性能，也降低了制备过程中对加工精度的要求。

Youngwoo DSP

2021年，韩国半导体设备厂Youngwoo DSP获得政府项目，负责开发基于超小RGB堆叠层的新型Micro LED制造技术，项目持续至2024年底。Youngwoo DSP表示，这项技术有助于提高巨量转移的对准精度、提升像素点密度，同时还能节省制造时间、降低成本。产品可应用到智能手表、汽车以及AR设备等。