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序言 |
MicroLED 因具有高解析度、高亮度、低功耗、產品壽命長等優點，被視為是下世代的顯示技術。根據 EDinside 預估，MicroLED 市場產值至 2023 年將高達 42 億美元。而隨著 2014 年 Apple 公司收購新創公司 LuxVue 布局未來顯示應用，更為 MicroLED 的市場競爭，掀起另一波高潮。目前許多國際大廠，已紛紛採用併購或合作開發等策略，加速取得該技術領先優勢。
相較於所有的顯示技術，MicroLED 因元件尺寸更小，除了可提供電視或車載螢幕等大型顯示器產品的超高解析度性能外，更適合應用在許多具有龐大商機的新興產業，例如可攜式或穿戴裝置 ( 軟性、折疊、及透明螢幕 )、元宇宙 AR / VR 顯示 ( 像素尺寸要求 1-8 微米 ) 以及各種前瞻科技應用，包括無光罩曝光、光電鑷子、光學耳蝸、數位光通訊等。
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然而，現階段 MicroLED 的技術發展仍尚未成熟，除了製造成本仍舊很高之外，技術上也還面臨了許多問題與挑戰，包括晶粒巨量轉移 ( Mass Transfer )、外量子效率 ( External Quantum Efficiency; EQE ) 過低及複雜多樣的元件與電路測試需求等。事實上，MicroLED 的生產製程已和傳統顯示器大不相同，其更接近於半導體技術範疇。由於台灣在半導體領域具有製程技術優勢及完整的產業鏈，極有機會贏得該產業領先地位。期待產官學界能攜手合作、共同布局，加速建構台灣在 MicroLED 兆元商機的大未來。 本期「 科技新航道 | 合作專欄 」邀請到國立清華大學 吳孟奇教授，分享其在 MicroLED 領域的最新研究成果。 |
吳教授研究專長主要是「 III-V 化合物半導體元件製程 」以及「 功率元件 」兩大主軸，曾榮獲 106 年科技部傑出研究獎，許多的創新研究也屢獲得至高肯定，發表於國際電子元件領域的頂尖期刊。透過此介紹文章，希望能帶領讀者了解台灣在 MicroLED 方面的學術及應用研究進展。
閎康科技研發中心處長 陳弘仁 2021/12/20
高解析度 UVA MicroLED 顯示器 未來顯示技術的新主流
1920×1080 高解析度 UVA 波段 MicroLED 顯示器與無光罩微影技術之應用
吳孟奇 教授
國立清華大學 電子工程研究所
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高效率三族－氮化物發光二極體已被證實可以顯著的改善固態照明，並且正在取代螢光燈泡與其它發光源。隨著攜帶式和移動式電子產品的尺寸越來越小，顯示技術也必須轉向更小的元件尺寸和超高的解析度，同時保持高效率與亮度的均勻性以降低功耗。虛擬與擴增實境（VR/AR）是近年美國消費性電子展（CES）熱門的話題，將廣泛運用於影視娛樂、遊戲、教育和醫療等領域；而現有面板技術將難以滿足未來 VR/AR 高解析度、高亮度、低功耗的規格，由於 MicroLED 具有高亮度、省電等特性，將成為未來顯示技術的主流。
為了實現這些目標，以氮化鎵為基底的 MicroLED 便應運而生，它可以大幅提高亮度、發光效率、高頻響應及壽命。根據 2020 年的 LED Inside 報導，MiniLED 的尺寸定義為 50-130 μm 之間，而 MicroLED 的尺寸為小於 50 μm；所以 MicroLED 顯示器製作的最基本要求已不僅止於微小的像素尺寸，還需具備數十萬至數百萬顆高均勻性的像素特性。表一為目前主流顯示技術與 MicroLED 的比較。
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表一 LCD、OLED 、MicroLED 顯示技術比較
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MicroLED 顯示器的發展主要分為行列選址式（Row-Column-Addressed, RCA）又稱被動式陣列（Passive Matrix, PM）及主動式陣列（Active-Matrix, AM） |
被動式陣列可藉由低開發成本之驅動架構進行圖案顯示控制（採用市售之多位元 LED 驅動 IC 如 R8A66162SP 與微控制器搭配），然而，受限於核心架構體積與圖案速度（作為通訊或激發光源之考量），兼以高密度像素衍生之引/銲線難度，僅適用低像素、中小型陣列（例如 128×128 陣列以下）。主動式陣列則具高速/同步像素驅動及獨立驅動條件等特點，控制驅動 IC（Read-In IC, RIIC）與 MicroLED 陣列藉由「覆晶（Flip-Chip）技術」鍵合，每一 MicroLED 陣列像素對應單一 IC 驅動像素，大幅節省驅動電路封裝及使用空間。
主動式陣列驅動方式，乃是將 MicroLED 陣列連接在 CMOS 晶片上面，每一個 MicroLED 像素對應一個像素 circuit，而且每一個 MicroLED 像素尺寸也要與驅動 IC 單元尺寸相同。對於固定尺寸的顯示器，例如 0.5 吋或 0.2 吋，當 MicroLED 像素尺寸越小且越多，顯示面板解析度越高，而應用於擴增實境與虛擬實境的 MicroLED 顯示器，其陣列數動輒 1920×1080 甚至更高，這樣高解析度的 MicroLED 顯示器，其製作難度也更高。
清華大學電子工程研究所實驗團隊先前已製作出高性能主動式 960×540 的藍光 MicroLED 顯示器，相當於 1900 ppi (pixels per inch) 的解析度，其單顆像素大小為 8 µm，像素間距為12 µm。這種 MicroLED 顯示器已可應用於智慧型手機、智慧型手錶、頭戴式、近眼顯示器和光遺傳學刺激等。
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高解析度 1920×1080 UVA 波段主動式 MicroLED 陣列微型顯示器，帶來達 3200 ppi 的超高解析度，同時成功印證無光罩微影技術的應用可行性 |
1920×1080 UVA 波段主動式 MicroLED 陣列是利用在每個像素上鍍上銦作為黏著性金屬，接著藉由覆晶技術與 CMOS IC 進行接合，這種裝置為白光 LED 固態照明應用開啟了改進之路，並且有望在高密度數據儲存、化學和生物傳感設備、消毒器以及光刻曝光設備等領域提供廣泛的適用性。近期以 UV 光波段作為曝光工具尤為吸引人，以 370-nm UV 光顯示器做為曝光工具，可以將顯示器上的特定圖案直接曝光到光阻上，這種做法可免去使用價格高昂的光罩作為定義圖案的工具；此外，這也提供了一種通過立體光刻技術構建三維結構的簡單方法。因此，這樣的設備被認為是更有效的曝光工具，可達到同時曝光和定義圖案的作用。
清華大學電子工程研究所已成功研製出了這種超高解析度的微型顯示器，藉由 SDK 模組成功演示印證了圖像的轉移。此種 1920×1080 UVA MicroLED 顯示器其可操作率為 80.9%，且是目前高清顯示器主流 16：9 寬高比之高解析度 UV MicroLED 顯示器的首次展示。最後，通過在顯示器播出特定圖案對光阻做圖像的直接轉移，也成功證明了無光罩微影技術的應用。
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自動對準微影技術，加速製程開發的幕後推手 |
MicroLED 陣列基本的製程大多是先定義出高原（mesa）圖形，也就是像素區，然後蝕刻出垂直側壁至 n 層，接著依序在 n 層佈上網狀電極、在 p 層佈上p電極、成長鈍化層，最後成長銦球當 bonding 金屬。前述每一道製程之前都需要開一道新的黃光，然而受限於學界實驗室 contact aligner 的機台限制，製作這種結構的 MicroLED 要做得均勻性高是困難的。首先第一道的圖形因為像素尺寸只有 5 微米，所以 mesa 圖案很容易在顯影過程或是去離子水清洗過程漂走；再者，因為曝光機的最小解析線寬只有 1 微米，而且是手動對準，所以要在 mesa 間隔只有 3 微米的走道開出 2 微米寬度的佈線圖案是極其困難的。
因此，清華大學電子所發展出特殊梯型側壁的 MicroLED 技術，梯型側壁讓金屬在階梯覆蓋率低的電子束蒸鍍機蒸鍍時，可以自動形成 n 電極和 p 電極，此即為自動對準技術。梯型側壁蝕刻技術配合自動對準技術，可以讓黃光道數少了 n 電極和 p 電極兩道，不僅加快了製程速度且不再有對準問題。
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MicroLED 特性全面剖析 |
圖一為對 1920×1080 UV 光 MicroLED 陣列做單顆元件量測的電特性圖，由左側對數圖我們可以得到在逆偏壓 10V 時的漏電流為 9.48 pA；此外，一般我們定義元件的啟動電壓在電流密度 22.2 A/cm2 的大小，而由於單顆元件大小為 5 μm，經過換算之後可以得到啟動電壓是在 4.36 μA 的電流，因此從右側線性圖可以得知，1920×1080 UV 光 MicroLED 的單顆 LED 啟動電壓是在 3.29 伏特的位置。
經過數據分析及比較後發現，MicroLED 之漏電流主要是因為乾蝕刻造成的側壁缺陷所導致，而每一顆 MicroLED 元件所需要的啟動電壓及負偏壓時的漏電流都非常小。
圖一 單顆 5 μm MicroLED 的 I-V 特性圖（左圖為對數圖，右圖為線性圖） |
圖二則呈現單顆 MicroLED 的光特性表現，由圖二左圖可以得知在電流為 1 mA 時的光輸出功率為 70.4 μW，由圖二右圖則量測得到外部量子效率（EQE）最大值為 3.74%，出現在電流密度為 153.2 A/cm2 的位置；而電轉光效率（WPE）最大值為 3.61%，出現在電流密度為 101.8 A/cm2 的大小。一般而言，我們希望以上兩種轉換效率最大值出現在電流密度越低的地方，這樣便可以越低的電流去驅動 MicroLED 元件，達到發光效率的峰值，而上述數據都是可以滿足我們期望的結果。
而在圖二右圖中，我們也量測到峰值波長的移動，這是因為原先在量子井所存在的內建電場會造成能帶的扭曲傾斜，稱為量子限制史塔克效應（QCSE），然而注入電流的增加會在一定程度上屏蔽掉內建電場，削弱史塔克效應，因而產生波長藍移；但隨著電流注入的繼續加大，因為電流擁擠所造成的熱效應會更加顯著，因而產生波長的紅移。
圖二 左圖為單顆 MicroLED 光輸出功率和光度對電流作圖，右圖為外部量子效率（EQE）及電轉光效率和波長對電流密度作圖 |
圖三為利用電致發光（EL）所得到的光譜圖，是對於同樣單顆元件施加不同電流大小，分別從 5 μA 到 1000 μA，所得到的波長對發光強度作圖，可以發現 UVA（370 nm）波段的 MicroLED 隨著注入電流的增加，其峰值的中心幾乎都保持在 370 nm 附近，而這也與標準微影製程所使用的 i-line（365 nm）曝光光源波長十分接近；並且隨著電流的上升，其發光光譜的半高寬增加得十分緩慢，從 10 µA 的 6.1 nm 到 300 µA 的 8.2 nm，非常適合單一色光的應用。
 圖三 單顆 5 μm MicroLED 電致發光（EL）光譜圖，輸入電流從 5 μA 至 1000 μA |
然而值得注意的是，從圖中我們可以發現 UVA 波段 MicroLED 在 550 nm 的波段會出現一個較小的缺陷光峰值，其大小約為 370 nm 之強度的千分之一，這是由於氮化鎵材料的磊晶缺陷所造成，因磊晶缺陷而在能隙間產生的缺陷能階會捕捉電子使能隙變小，進而產生肉眼可見的缺陷光。 |
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1920×1080 UVA MicroLED 高解析度顯示器首度演示 |
由於所使用的覆晶技術的關係，最後做成的顯示器會由背面（藍寶石基板）出光。對全點亮的顯示器再進行量測，得到在 100 mA 的電流下，最大的總體光輸出功率為 2.6 mW。此外，如前面所述，我們可以看到在全點亮的過程中，可被人眼所捕捉的是 550 nm 波段的缺陷光，大約為綠光。
 圖四 MicroLED 在與 IC 覆晶後利用掃描式電子顯微鏡所拍攝的照片，其中間的黏著金屬即為 In |
圖四為 LED 在與 IC 覆晶後利用電子顯微鏡所拍攝的照片。因 MicroLED 的良率在目前與未來的學術界與業界都是一個重要的課題目，目前晶片製程技術的優化與晶片水平度的提升，是我們認為在提高良率上仍可以努力的方向。 |
 圖五 利用 1920×1080 UVA MicroLED 顯示器播放圖片（左圖為獵豹，右圖為清華大學校徽） |
圖五是利用 1920×1080 UVA MicroLED 顯示器接上軟排線與驅動電路板，並與電腦連接便可以播放圖片，此外，它也可以用來播放影片。據我們所知，這是目前第一個高解析度主動式 UVA MicroLED 顯示器的演示，其長寬比為 16：9，單顆 LED 元件大小為 5 μm。 |
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無光罩微影製程應用推動顯示技術再升級 |
在無光罩微影製程的演示，我們首先在 1920×1080 UVA MicroLED 顯示器上以鏡像（mirror writing）文字播放 NTHU 的字樣，接著在微影目標矽晶圓上旋塗上負光阻，經過軟烤後，將矽晶圓直接以接觸式貼在顯示器上，曝光 200 秒後再經歷曝後烤及顯影，便成功在矽晶圓上得到NTHU的圖形。
 圖六 NTHU的字樣成功被顯影在矽晶圓上 |
如圖六所示，可以看到 NTHU 的字樣成功地被顯影在矽晶圓上。然而從圖形可以發現，對於字樣的線寬與轉角處的銳利程度，與顯示器上是有些許差距的，原因是相比於真正的曝光機台缺少了透鏡的聚焦，造成許多光源在顯示器與矽晶圓間隙中產生散射。 |
因此，若是能以標準的微影曝光設備，再加上高解析度 UVA MicroLED 顯示器作為曝光光源，對未來的微影設備與無光罩製程都是非常具有潛力的。雖然其能夠達到的最小線寬取決於 MicroLED 元件的大小，但若是可以將 MicroLED 的尺度持續微縮，在未來的產業界將具有縮減微影製程的成本、提高製程良率及縮短製程時間等顯著的優勢。
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UVA MicroLED 顯示器將成為高解析度應用的前瞻性技術之一 |
發光二極體有諸多優點，因此現今的應用已非常廣泛，大至照明、交通號誌、汽車大燈、LCD背光源等，小至微型顯示器及虛擬實境。而微型發光二極體顯示器很可能會是未來的主流顯示技術，對於目前市場需求，應用於擴增實境亦或是智慧眼鏡這類產品對於解析度的要求越來越高，因此我們如何微縮發光二極體尺寸，並得到高解析度的陣列、使其均勻發光、提升良率，這些都是相當重要的。
由清華大學電子工程研究所所成功研製出的高解析度 1920×1080 UVA MicroLED 顯示器，其單顆 LED 元件大小為 5 μm，元件間距為 8 μm，在對角線為 0.69 英吋的晶片上，相當於 3200 ppi 的解析度。對 MicroLED 陣列的單顆元件進行量測可得知此元件的電特性具有理想的啟動電壓、非常小的漏電流等優點；在光特性量測中，也可得到單顆元件較佳的光輸出功率及較高的光電轉換效率。這些優良的特性主要歸功於先進製程的幫助，包括自動對準微影製程以及優化的乾蝕刻技術，這些都體現在高解析度、高 ppi 的 UVA 波段顯示器的研製上。
此外，由於 UVA 能量相較三原色都大，利用此優勢，目前清華大學電子工程研究所也嘗試利用三原色之鈣鈦礦螢光粉，藉由光致激發的方式研製全彩 MicroLED 顯示器，期待在未來為下一代顯示器製程技術帶來更大的突破。
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閎康編輯室後記 |
MicroLED 顯示器整合了 LCD、LED、光電材料、半導體、精密設備等技術能量，可實現軟性、透明、曲面等先進顯示屏幕功能，近年來許多國際大廠已爭相投入布局發展。而隨著智慧生活對於高端顯示系統需求升溫，以及「 元宇宙 」虛擬世界概念所帶動的超高解析影像虛擬及擴增實境應用機會，皆使得 Micro LED 產業有突破性的成長，並將很快迎來下一波龐大之市場商機。
閎康科技很高興於本期邀請到此領域的頂尖專家 - 吳孟奇教授，以本身的實際研究成果為主軸，透過「 科技新航道 」專欄撰文介紹 MicroLED 應用技術，帶領我們深入了解此下世代顯示技術在國內的研究發展概況；同時，閎康科技也非常榮幸於今年能和吳教授攜手進行產學合作計畫，提供其 MicroLED 研究上所需之分析服務。閎康科技擁有先進的檢測設備與專業技術經驗，能全面滿足 MicroLED 無論在元件結構、或是材料組成方面之各種分析檢測需求，歡迎參考下方連結，或是直接點擊頁面右下角與我們聊聊。閎康科技為全球分析服務的領導廠商，時時掌握科技脈動！
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