Micro LED,一场关乎AR未来的真正竞速

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Micro LED,一场关乎AR未来的真正竞速

Micro LED,一场关乎AR未来的真正竞速

AR研究媛

· 2023.02.02 18:54



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Micro LED,一场关乎AR未来的真正竞速

科技巨头都在关注Micro LED的商业化进展。

Micro LED,一场关乎AR未来的真正竞速

图片来源@视觉中国

文|AR研究媛

AR在彻彻底底蜕变成下一代消费电子之前,会有一条脉络清晰或者晦暗不明的发展主线。

而你需要分辨和找到这条线,以及等待、或者主动逼近主线上最关键的那个节点。

01 所有人都看好Micro LED

「Micro LED就像小镇上刚开张的唯一Super Market ,似乎所有大人物都在疯狂购物。」

2014年5月,苹果收购LuxVue,随后不久在台湾桃源设厂研发Micro LED。

2016年10月,Facebook(如今Meta)子公司Oculus收购了从爱尔兰廷德尔国家研究院和爱尔兰科克大学衍生出来的InfiniLED公司

2017年5月,三星传闻以1.5亿美元收购錼创PlayNitride未见落地。2018、2020年PlayNitride 各完成5000万美元募资,投资方包括三星、晶电、友达,其中三星为最大股东,持股超过2成

2017年9月,谷歌以1.2亿瑞典克朗注资Micro LED制造商Glo公司

2020年,Meta与苹果有意收购的Micro LED显示厂商Plessey达成合作,共同开发Micro LED技术

2022年1月,Snap收购了美国Micro LED/LCOS解决方案供应商Compound Photonics 

2022年3月,谷歌被曝已收购Raxium公司

2022年5月,Vuzix获Atomistic独家Micro LED技术授权,并计划收购该公司

显示面板厂商、消费电子、AR/VR公司一直高度关注Micro LED的商业化进展。

对于传统显示面板厂和消费电子巨头,理由清楚摆在台面:Micro LED作为下一代显示技术,功耗、亮度、色彩、寿命、纯黑显示(黑电)、响应速度、适配柔性和可折叠基板,几乎全方位无可挑剔完美。

数据和资料来源于AR研究媛收集和整理

有趣的是,2017年富士康投资了elux,2018年年初 Intel 出现在Aledia第三轮融资名单里。你很少会看到,消费电子、互联网科技公司、半导体巨人同时对显示面板方面的新技术狂热。

Micro LED并不是意外降临的天外陨铁,早在2012年索尼就展示了第一台Crystal-LED的微型LED电视。相比LCD,Micro LED自发光不需要背光源,也不依靠液晶偏转光线经RGB滤光片来实现色彩合成和显示,它理论上的产品结构非常简洁:驱动背板、电极、RGB LED晶粒、表面光学保护层。

Micro LED跟OLED相比,一样RGB三色像素自发光,高饱和度色彩,能独立关闭像素显示纯黑。其优势在于发光材料EQE更高,Micro LED理论上拥有比OLED更高的光电转化效率,功耗更低,亮度高一个数量级,还没有OLED有机发光材料寿命限制导致的“烧屏”问题。

大的技术趋势,Micro LED完全可以取代LCD、OLED,占据所有消费电子显示应用,包括手机、笔记本电脑、电视、可穿戴设备。

因为Micro LED类似OLED能够良好适配柔性屏、折叠屏、透明屏基板,更微小的Micro LED稀疏地排布于透明基板上,在大屏更低ppi的情况下,Micro LED在透明屏、柔性屏的应用价值凸显,比如汽车前挡风玻璃HUD透明显示。同样得益于透明显示技术上的适配,Micro LED 可以构建具有嵌入式传感功能的显示器,例如指纹识别甚至在屏下指纹识别,真正的全面屏。

还有下一代消费电子大单品AR/VR,对于超高PPI、高亮度、高EQE光电转化、低功耗、对比度、响应时间(画面滞后)方面的要求,Micro LED能够让AR/VR的体验上升一个台阶。

而如果更深入了解,Micro LED跟以前LCD、OLED传统不一样,它的制造工艺需要跨界半导体技术。由于LED芯片本身尺寸的剧烈缩减(约为标准LED的1%),带来显示屏幕结构上的显著变化,随之而来的是难度更高的制造工艺和显示产业链相关的价值链迁移。

02 苹果深谋已久,依旧遇挫

苹果早在2014年收购LuxVue,站在今天看,这收购标的眼光十分独到。它早早看到了一些不一样的东西,并且掀起了一股研究热潮。

Micro LED最大的特点,将传统LED晶粒从1毫米缩小到1-50微米。

制造Micro LED的流程看起来比较简单。第一步是在wafer上生长出微型LED晶粒,第二步是制造背板和驱动电路(backplane,传统屏幕的背板就是TFT),第三步则是将微型LED从wafer上分离转移到目标背板上。整个过程也涉及到检测和缺陷修复。

但如此小的LED,意味着首先需要LED微缩制程,然后制造「合适」背板和复杂精密的驱动电路,最后将大量的RGB LED晶体从不同的生长源基板分离,再精准转移嵌入目标背板并连接上驱动电路,所谓 pick-and-place。

举个不恰当的例子。你要先挑三块土壤养分不同的田亩,分别种上豌豆、玉米、小麦,代表RGB 三种LED晶粒,这三种长出来的作物颗粒只有原来1%左右大小,非常娇嫩和精细。你还要盖一个高科技的温室大棚,里面生长、灌溉等设备全部适配好。最后将属性各异的豌豆、玉米、小麦从质地不一的田亩里一颗颗不能有丝毫损伤地收割好,转栽到高科技温室大棚里,每一颗作物都要跟大棚里面的设备调校正确、精准适配。这样你就能得到一个最先进的农产品基地——最理想的Micro LED显示面板。

Micro LED 商业化就卡在第三步基板分离和LED芯片「巨量转移」良率和综合制造成本上。

还有一种方案是基于单片集成工艺的Micro LED,将LED外延片直接与CMOS背板键合。类似豌豆、玉米、小麦三块田只能挑一块田,生长好一种作物后,在上面直接「盖」一座高科技温室大棚,并且把里面设备连接装置好。好处是不需要「巨量转移」了,并且这个工厂的种植密度很高,坏处只能产出一种作物,以及「工厂」面积很小。即你只能获得像素密度很高、尺寸很小的单色Micro LED屏幕,一般称为硅基Micro LED。

因为微缩制程、晶圆生长、巨量转移、背板键合跟之前工艺差别巨大,在Micro LED上,显示企业前所未有需要深入了解和借鉴半导体工艺。半导体工艺和显示技术的融合,很有可能成为Micro LED落地和真正打开市场的关键钥匙。

换句话说,Micro LED作为潜力巨大的game changing technology,有能力完全重塑目前的显示面板产业链,让苹果摆脱对三星OLED面板的依赖。苹果如果凭借Micro LED 制造一个巨大的专利壁垒,在掌控了Micro LED,这一层最好的显示技术后,苹果垂直整合的堡垒更加牢不可破。

来自2020年Yole报告,Apple已授权MicroLED专利遥遥领先

台湾媒体曾报道,苹果早在2014年就已经在竹科龙潭园区设立了Mini LED和Micro LED研发实验室。到2020年6月,更有消息,苹果计划投资3.34亿美元在台湾桃园龙潭园区建设新厂,并且与晶电(Epistar)和友达合作,为iPad、iPhone等产品提供Mini LED和Micro LED显示屏。

Bloomberg最近的报道也佐证了苹果一直在积极推动Micro LED商业化。

​苹果自研面板计划内部代号为T159,在2018年加速发展脚步,当时还设定了最快2020年初让产品开始改采Micro LED的目标。但是高昂的成本,多个工艺难题的阻碍,导致苹果的面板计划停滞不前。苹果起初目标把Micro LED技术整合入大型面板,但遇挫后转而聚焦面板尺寸约2英寸的苹果手表作为切入产品。

外媒还透露,苹果正在距离Apple Park总部15分钟车程、位于加州圣塔克拉拉一座面积6.2万平方英尺的工厂试产Micro LED面板。

业内人士最近声称,Micro LED已经非常临近商业化。但在实验室制造出惊艳的Micro LED屏幕从来不是问题,高昂的成本、良品率提升、工艺真正成熟才是阻碍。

比如2020年12月,三星电子发布了一款110英寸4K分辨率Micro LED电视,售价15.64万美元,约合人民币102.356万元。几乎没有人能用得起。

这背后是巨量转移堪称变态般的良率要求。

以一个4K UHD分辨率(3840*2160)的显示器为例,有8,294,400个像素单元,包含24,883,200个RGB子像素,即使生产时有99.99%的良率,仍会有2488个子像素会出问题。

巨量转移的困难在于,

(1)待转移的LED晶体外延层厚度仅有原LED的3%,同时LED尺寸更小,需要精度很高的精细化操作;

(2)一次转移需要移动几万乃至几十万颗LED,数量十分巨大,要求有极高的转移速率。

如何将良率提升到99.9999%(俗称“六个九”,意味着每转移一百万颗芯片只能有一颗不良),且每颗芯片的精准度必须控制在±0.5μm以内。而且Micro LED制备流程中,很多步骤都会对良率造成一定的影响。

2014年苹果低调收购LuxVue却引发一场持续至今的Micro LED商业化竞速,当年尚在襁褓期的Micro LED,只有苹果果断出手收购LuxVue,这家2008年成立的初创公司,在当时Micro LED消费电子大规模应用最关键的巨量转移技术上(静电拾取方案)领先所有人。

尝试 Micro LED,收益巨大,风险同样巨大。你不知道它在落地商业化是否存在根本性障碍,或者类似「火车刚面世时还没有马车快,还需要人工不断添加燃料,但它后面的发展就完全超乎所有人的预料。」

03 Micro LED的投资热潮,AR/VR推动力强大

早些年苹果公司以扭曲现实力场著称,在消费电子上有一种「创世」的魔力。iMac、iPod、iPhone、iPad、iWatch之后,2023年所有人都在等待苹果MR头显的问世。

除了那种学不来的美学品味和产品哲学,其实苹果公司更擅长先人一步发现「尚且非常粗糙」的先进技术,视野深且远,对于地平线上出现的新东西有着非同一般的预见性。

当前Micro LED商业化最大的障碍,RGB三种超微LED晶粒从各自不同的生长源基板分离,再一批批大规模转移到a-Si、LTPS、IGZO的目标TFT基板,pick-and-place ,这老大难的「巨量转移」,十几年来出现各种技术方案,但最关键的成本和良率一直没见突破。

基于单片集成工艺的硅基Micro LED,完美避开了巨量转移的问题。但问题是单片集成工艺的硅基Micro LED目前只能显示一种颜色(目前绿色LED的发光效率最高,亮度可以达到百万尼特),也只有很小尺寸,无论是扩大晶圆尺寸还是量子点着色方案,都遇到了不小的阻碍。

图为索尼4K分辨率 Micro OLED微显屏,可以实现全彩显示

图为JBD单色 Micro LED微显屏,蓝色、绿色、红色

但硅基Micro LED小尺寸显示和超高的像素密度,几乎就是为了AR/VR而生。这也是文章开头 Plessy、Raxium、Compound Photonics、Atomistic 这些公司被科技巨头们盯上的原因。

硅基Micro LED价值独有首先体现在高ppi(每英寸的像素数量)特性上,以及超低功耗和理论上百万尼特级的亮度。

虽然如今高端手机的像素密度早就来到了500ppi左右,但AR/VR要实现虚实融合效果,沉浸感拉满,对于像素密度仍然有着非同一般的追求。当下FOV更高的VR所要求的「空间视网膜级分辨率」,Pixel Per Degree 每一度视场角像素密度要达到60,硅基Micro LED目前是最有希望的。

Micro LED超高亮度对于AR眼镜尤其重要。AR眼镜目前只有1%-5%光效率的光波导镜片,入眼亮度要满足全天候佩戴,特别是户外白天强光环境,只有Micro LED光引擎理论上能够达标。

在AR/VR应用上,LCD的光学层级结构显得太过复杂,因此存在着较大程度的光和系统层面的损失与缺陷;而OLED则受限于有机材料发光特性,亮度低,寿命还是大问题。Micro LED克服了LCD和OLED各自的缺陷,在结构和材料层面碾压LCD和OLED;AR/VR、可穿戴设备、投影机等大概率会成为Micro LED率先登场的应用——它们对于高ppi有着更天然的需求,Micro LED因此成为这些应用的绝对优选。

如今传言估值100亿、风光无限的JBD,基于单片集成工艺的硅基Micro LED实现了商业化。但采用JBD单绿色硅基Micro LED的OPPO、李未可、小米光波导眼镜,看似体积小巧足够轻薄,只能尴尬地显示绿色,也只能用作信息提示。JBD现成的RGB三块Micro LED小面板Cube 棱镜合色方案,这些公司都不愿意真正深入尝试下。INMO Air 2退而求其次采用OLED微显屏,实现全彩显示,也是治标不治本。

除了这些问题,极其重要EQE(external quantum efficiency,外量子效率)和低功耗,它是Micro LED根本优势所在。以及当下Micro LED中红色LED的光效率对比绿色和蓝色LED,需要有根本上的提高。

从理论上来说,Micro LED在EQE和功耗参数上优势显著。传统蓝色LED的EQE可以达到80%;在实际操作中,如果这种蓝色LED的尺寸缩减到5-10μm,则EQE将≤20%;而且因为侧壁缺陷效应(sidewall defects effect)的存在,现阶段microLED实际的功耗表现也差于OLED/LCD。但这些都可以理解为技术在新生阶段遭遇工程层面的问题。

能够实现全彩显示、RGB像素「正宗」排列的巨量转移技术无法满足Micro LED小于20μm小像素间距的要求。对角线小于2英寸的高分辨率显示应用,AR/VR所要求最完美的Micro LED的微显屏,潜力巨大,依然等待有人能真正突破瓶颈。

Micro LED,这是一场关乎消费电子未来的真正竞速。

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