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摸索十年的Micro LED商業化,會是條死胡同嗎?

來源:晰數塔互聯網快訊 時間:2023年03月28日 15:00

努力推進Micro LED應用于主流消費電子可能是個“美麗的泡沫”,紙面性能遲遲不能兌現,證明可能存在某些根本性的障礙。另一邊,Micro LED應用于VR/AR,進展喜人。

本文來自微信公眾號:AR研究媛(ID:ar-supergirl),作者:Jeff,編輯:研究媛,原文標題:《Micro LED商業化進展:JBD和Porotech,我們該信誰?》,題圖來自:視覺中國

AR的關鍵時刻

如果問現今哪款AR眼鏡最能勾起普通用戶的消費欲,去年12月展示的OPPO Air Glass 2,起碼讓一眾沒見過世面的科技媒體印象深刻。它整體重量38g,號稱自研的Spark微型光機體積比上一代減小了40%,平均入眼亮度高達1400 nits。VR陀螺在線下體驗真機后這樣描述:“戴上眼鏡外出幾乎不會被察覺是一款AR智能眼鏡?!?/p>

這一代關鍵改進,在采用了樹脂材質光波導鏡片和鋰鎂合金鏡框?非也。樹脂材質甚至塑料光波導鏡片早有中國臺灣和韓國廠商推出,材料折射率低光效率不高幾乎沒人用,它最大的進步在于:負責AR圖像光生成、調制、投射的最關鍵組件光引擎,超乎想象的纖細且強大,這得益于超低功耗+超高亮度+超小體積的JBD單綠色Micro LED面板。 

圖像來自KGOnTech

來自JBD官方的說法,JBD一直保持著MicroLED微顯示器領域關鍵指標的世界紀錄:如400萬尼特的綠光亮度,50萬尼特的藍光亮度,AlGaInP基的紅光LED亮度最新紀錄達到75萬尼特。不僅如此,單色光引擎的體積可以做到僅0.3立方厘米,重量輕至1克。

這也是2022年包括小米、李未可、OPPO Air Glass 1/2等光波導眼鏡為什么只顯示單綠色,只能用于信息提示的原因。因為目前只有綠光Micro LED微顯屏實際工程化應用時光電轉化效率最高,邁入了成熟的商業化階段。光引擎使用Micro LED面板,某種意義上是AR眼鏡目前最難突破的關鍵技術。

OPPO Air Glass 2其實證明了一件事,在輕薄體積和虛實融合畫質(超高亮度和低延時畫面)上,Micro LED技術進展,很大程度上直接決定了AR的未來。

未來不確定性

在談Micro LED商業化進展前,先講一個八桿子打不著的人物,或許有些啟發。

中國培養的做題家多如牛毛,鉆研“技巧”或者說套路已到化境,真正的數學家卻鳳毛麟角。任職于普林斯頓,可能是1949后中國大陸培養的最杰出數學家許晨陽,代表了一種非典型的中國數學家。

博士畢業后許晨陽在代數幾何雙有理幾何方向研究“停滯”了很長一段時間,直到2010年逐漸聲名鵲起。他不像傳統中國數學家更擅長繁復冗雜的“技術”,而是構建一種“看待新事物的能力”,瞄著關鍵點去發力,并且足夠精準。

“在我所在的領域,有些問題已經存在了40年,大家都在努力試圖解決。這些問題也留在我的腦袋里。我做數學的方式是跟著理論,不是依靠技術去解決一個問題,而是首先發展理論。然后我們就會用一種全新的眼光看見新的東西……” 

一個被眾人看好的新領域,如果經過足夠長時間“技術試錯”,依然沒有進展,說明新東西的底層并未被完全洞察。

如今,Micro LED因為應用終端和尺寸(像素密度)的不同,衍生出涇渭分明的工藝和技術方向:

圖表數據來源于多方資料

一是,高PPI 單片集成工藝(晶圓級鍵合)的硅基Micro LED微顯示屏,AR/VR最理想的光學方案。二是,低PPI 在R、G、B三色LED外延片進行巨量轉移的Micro LED屏幕。而基于巨量轉移的Micro LED面板一直折磨著眾多科技巨頭。

Apple 2014年收購LuxVue啟動了一場持續至今的Micro LED面板商業化競速。LuxVue成立于2009年,距今已有十幾年,Micro LED技術之艱深一定讓蘋果公司始料未及:直到2023年,Micro LED僅僅是應用在小尺寸Apple Watch上都沒有落地。

知乎上有個垂直技術討論,《為什么會先量產OLED,而不是看似更好的microLED?巨量轉移等技術難點,莫非OLED遇不到嗎?》,一個很小眾的話題居然有18萬多瀏覽量,排序第一的“范飯愛可樂”擊中了某些關鍵點:

“MicroLED的制作和制作CPU芯片差不多,而且不需要nm級制程,微米的老制程正合適,一個芯片上一般做一個顏色的LED,紅綠藍各做一個。

(Micro LED生長晶圓)這個尺寸直接做AR/VR、hud、波導眼鏡什么的可以直接用,性能出色。但是要做顯示面板的話,就得一個個地切割下來,檢測、焊線,再貼到玻璃基板或者柔性基板上焊接,這一步就是巨量轉移,mass transfer。

4K面板,可是要2400多萬個LED切割、焊線、粘貼,而液晶的TFT光刻、OLED的蒸鍍、印刷,再怎么復雜,也都是整個面板來制作,相比之下,巨量轉移這簡直是自虐,跟活字印刷與手工抄寫的差距差不多。

為此,設備商絞盡腦汁,想了很多辦法,但這生產效率可想而知,價格自然也就下不來。據說目前生產一個4K屏需要208小時,而且如果有壞點還要修復替換……”

消費者首次看到商業化Micro LED屏幕,是在2012年1月索尼以樣品展示的55英寸“Crystal LED Display”,分辨率1920*1080,面板集成了超過207萬個像素,總計約622萬個RGB子像素。這意味著600多萬個LED芯片實現了“巨量轉移”、連接驅動背板,其復雜程度、良品率、成本可想而知。

此后四年索尼Crystal LED Display 幾乎沒有任何消息。在經歷了2016年、2018年兩輪迭代發布后,2019年索尼歐洲的分銷商AWE組織提供索尼“Crystal LED Display”正式售賣參考價格:

146英寸微型LED顯示屏價格35萬歐元(274萬元)

182英寸50萬歐元(391萬元)

219英寸70萬歐元(548萬元)

另一邊,2018年三星在CES First Look活動上,推出了“The Wall”146寸Micro LED電視,售價超百萬。兩款Micro LED成品均選擇了大尺寸電視,售價高得不可思議。這并非巧合。

2012年索尼Micro LED電視的色彩表現、明暗解析、對比度根本沒有任何產品能夠相提并論。這項技術的索尼產品很貴,并且由于產能非常低,當時基本上沒有大批量商業化的可能。

基于巨量轉移的Micro LED面板可以取代OLED、LCD,成為絕大多數消費電子最理想的終極屏幕。但在一個方向長時間嘗試、不斷撞墻,持續消耗心血,卻始終不能突破的時候,你自然而然會思考:這是不是一條死路?

Micro LED可能存在某種本質層面無法克服的阻礙。基于巨量轉移的Micro LED能做出來,但成本根本不可能下降。

百萬級、千萬級LED晶粒巨量轉移并且連接目標背板驅動電路,前所未有的良率要求,技術進步真能讓成本下降?還有,索尼和三星將Micro LED真正落地商業化,都恰巧選擇大尺寸顯示(電視)可能還有一個被忽視的原因,發熱。

Micro LED實際工程化的麻煩,巨量轉移可能僅僅只是第一道關卡。

悲觀之后還是悲觀?

蘋果收購LuxVue近10年進展有限,索尼持續迭代Crystal LED Display ,三星推出天價The Wall都指向一個事實:Micro LED應用于主流消費電子和顯示面板技術,如果基于巨量轉移技術,工藝再怎么推陳出新,成本可能都無法顯著下降。

巨量轉移僅僅是Micro LED大規模商業化最前面的那只大老虎。而如果繞開巨量轉移使用單片集成工藝,最適合AR/VR的超高PPI微顯屏,依然還有一群小老虎在前面,而且“小老虎”甚至會影響到Micro LED核心根本優勢——低功耗高亮度,無法真正實現。

圖文資料來自AR研究媛收集整理

1.Micro-LED側壁效應

傳統LED面積比較大,其具有數十微米的邊緣側壁,側壁效應并不重要。但隨著Micro-LED尺寸越來越小,側壁效應顯著,光效率陡然下降。

比如傳統藍色LED的EQE可以達到80%;在實際操作中,如果這種藍色LED的尺寸縮減到5~10μm,則EQE將≤20%;而且因為側壁缺陷效應(sidewall defects effect)的存在,現階段Micro LED實際的功耗表現未達理論預期,甚至差于OLED/LCD。

2.紅光LED的材料選擇,亮度、色彩問題

當前,藍光、綠光LED是在藍寶石(Al2O3)、碳化硅(SiC)或硅(Si)襯底上生長InGaN等三元材料,紅光LED多是在GaAs襯底上生長AlGaInP四元材料。

不同于藍光和綠光LED,四元材料的AlGaInP紅光Micro LED尺寸減小導致缺陷密度增加、側壁效應等問題更嚴重,效率下降更明顯,且非常容易受到熱量影響(驅動電流增大)而發生效率及波長的變化。

換句話說,現有AlGaInP的紅光LED不僅很暗、亮度低,顏色也很難精準控制(波峰漂移),特別是驅動電流改變的情況下。

3. Micro LED全彩顯示

除了耳熟能詳的垂直堆疊像素、棱鏡合色、量子點轉色這些工程化的取巧辦法,如果能從原生材料層面實現單片全彩Micro LED,相比目前巨量轉移或者單色LED晶圓鍵合,那簡直不要省事太多。

首先是發光材料統一,InGaN材料具有寬帶隙可調、機械穩定性高及空穴擴散長度較短等優點,并且能與InGaN藍光和綠光LED兼容,近幾年來在MicroLED領域已獲得廣泛的關注,全球多股力量開始積極研究InGaN基材料在MicroLED領域的應用。

Plessy曾宣稱,通過使用專有的應變設計的有源區來制造高效的InGaN Red LED,顯示的紅光波峰集中,色顯純正,并且在超小像素間距中,其效率高于傳統的AlInGaP和顏色轉換的紅光。

Soft-EPi成功基于GaN(在藍寶石襯底上沉積的GaN)制造出紅光LED,并采用同樣的方法在藍寶石襯底上開發出藍光LED和綠光LED,引起業界廣泛關注。而且Soft-EPi已成功將紅光和綠光LED集成在同一晶圓上,并計劃集成藍光LED。但紅色GaN外延片的效率依然很難看。

還有,國外影響力頗大的AR光學博主Karl Cuttag在今年年初專門寫了一篇文章吹捧Porotech,因為這家公司,實現了目前為止他所能看到的紅色、綠色和藍色最高效的LED。



CES 2023大會的0.26英寸1280x720p、3.5um像素的手持拍照照片(沒有完全對焦)。Porotech測量為藍色為70萬尼特,綠色為300萬尼特,紅色為70萬尼特。

Porotech以多孔GaN材料來實現光效率提升,開發的DPT技術(所謂動態像素調整),來實現單LED芯片全光譜顯示。這意味著,同分辨率下,需要的LED數量只有原來三分之一,像素連接驅動的觸點少了三分之二,分辨率能更高、制造難度又下降、光效率又獨一無二,還輕輕松松實現了全彩顯示。但難就難在——驅動——按照Karl Cuttag的原話:

對于Porotech的LED,你必須同時控制電流和脈沖寬度。這意味著驅動硅背板將更加復雜和難以開發。但我非常喜歡的是,Porotech正在解決根本問題,并將復雜性轉移到一個最終會解決的“領域”。

但比較有趣的是,對于InGaN基紅光Micro LED的可行性,JBD是這樣指出的:

透過和業內知名外延廠商合作,例如Porotech,再結合多年積累的Micro LED芯片技術,試圖驗證InGaN基紅光Micro LED的可行性,但研究結果證實,InGaN基紅光Micro LED微顯示屏的亮度只能達幾百尼特,離客戶應用要求差3個數量級,材料也存在嚴重的可靠性、顏色均勻性、色彩穩定性等問題。對此,JBD認為紅光InGaN外延及芯片存在短期內無法解決的基本物理問題,放棄該技術方向作為產品應用的可能。

JBD不僅把Porotech合作后的進展描繪成“差三個數量級的紅光LED亮度”,被眾人看好的能實現藍、綠、紅光LED材料一統的InGaN,也是Porotech的LED材料方向,JDB居然嗤之以鼻,明確說已放棄嘗試。JBD還是堅持在傳統AlGaInP材料上實現紅光效率突破。

目前在硅基Micro LED商業化進展事實上領先全球的JBD,說這話確實有底氣。

牛X閃閃的JBD,紅光LED面板亮度從50萬尼特提升到75萬尼特,同分辨率下把體積做小,像素間距居然還能再縮小。傳言中下半年要上的0.4cc RGB三面板棱鏡合色Micro LED全彩光引擎,是不是真能做到高像素密度、小體積、高亮度,并且順利量產,我們暫且等待。

本文來自微信公眾號:AR研究媛(ID:ar-supergirl),作者:Jeff,編輯:研究媛

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