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Micro LED,一場關乎AR未來的真正競速

圖片來源@視覺中國

文|AR研究媛

AR在徹徹底底蛻變成下一代消費电子之前,會有一條脈絡清晰或者晦暗不明的發展主線。

而你需要分辨和找到這條線,以及等待、或者主動逼近主線上最關鍵的那個節點。

01 所有人都看好Micro LED

「Micro LED就像小鎮上剛開張的唯一Super Market ,似乎所有大人物都在瘋狂購物。」

2014年5月,蘋果收購LuxVue,隨後不久在台灣桃源設廠研發Micro LED。

2016年10月,Facebook(如今Meta)子公司Oculus收購了從愛爾蘭廷德爾國家研究院和愛爾蘭科克大學衍生出來的InfiniLED公司

2017年5月,三星傳聞以1.5億美元收購錼創PlayNitride未見落地。2018、2020年PlayNitride 各完成5000萬美元募資,投資方包括三星、晶電、友達,其中三星為最大股東,持股超過2成

2017年9月,谷歌以1.2億瑞典克朗注資Micro LED製造商Glo公司

2020年,Meta與蘋果有意收購的Micro LED显示廠商Plessey達成合作,共同開發Micro LED技術

2022年1月,Snap收購了美國Micro LED/LCOS解決方案供應商Compound Photonics 

2022年3月,谷歌被曝已收購Raxium公司

2022年5月,Vuzix獲Atomistic獨家Micro LED技術授權,並計劃收購該公司

显示面板廠商、消費电子、AR/VR公司一直高度關注Micro LED的商業化進展。

對於傳統显示面板廠和消費电子巨頭,理由清楚擺在檯面:Micro LED作為下一代显示技術,功耗、亮度、色彩、壽命、純黑显示(黑電)、響應速度、適配柔性和可摺疊基板,幾乎全方位無可挑剔完美。

數據和資料來源於AR研究媛收集和整理

有趣的是,2017年富士康投資了elux,2018年年初 Intel 出現在Aledia第三輪融資名單里。你很少會看到,消費电子、互聯網科技公司、半導體巨人同時對显示面板方面的新技術狂熱。

Micro LED並不是意外降臨的天外隕鐵,早在2012年索尼就展示了第一台Crystal-LED的微型LED電視。相比LCD,Micro LED自發光不需要背光源,也不依靠液晶偏轉光線經RGB濾光片來實現色彩合成和显示,它理論上的產品結構非常簡潔:驅動背板、電極、RGB LED晶粒、表面光學保護層。

Micro LED跟OLED相比,一樣RGB三色像素自發光,高飽和度色彩,能獨立關閉像素显示純黑。其優勢在於發光材料EQE更高,Micro LED理論上擁有比OLED更高的光電轉化效率,功耗更低,亮度高一個數量級,還沒有OLED有機發光材料壽命限制導致的“燒屏”問題。

大的技術趨勢,Micro LED完全可以取代LCD、OLED,佔據所有消費电子显示應用,包括手機、筆記本電腦、電視、可穿戴設備。

因為Micro LED類似OLED能夠良好適配柔性屏、摺疊屏、透明屏基板,更微小的Micro LED稀疏地排佈於透明基板上,在大屏更低ppi的情況下,Micro LED在透明屏、柔性屏的應用價值凸顯,比如汽車前擋風玻璃HUD透明显示。同樣得益於透明显示技術上的適配,Micro LED 可以構建具有嵌入式傳感功能的显示器,例如指紋識別甚至在屏下指紋識別,真正的全面屏。

還有下一代消費电子大單品AR/VR,對於超高PPI、高亮度、高EQE光電轉化、低功耗、對比度、響應時間(畫面滯后)方面的要求,Micro LED能夠讓AR/VR的體驗上升一個台階。

而如果更深入了解,Micro LED跟以前LCD、OLED傳統不一樣,它的製造工藝需要跨界半導體技術。由於LED芯片本身尺寸的劇烈縮減(約為標準LED的1%),帶來显示屏幕結構上的顯著變化,隨之而來的是難度更高的製造工藝和显示產業鏈相關的價值鏈遷移。

02 蘋果深謀已久,依舊遇挫

蘋果早在2014年收購LuxVue,站在今天看,這收購標的眼光十分獨到。它早早看到了一些不一樣的東西,並且掀起了一股研究熱潮。

Micro LED最大的特點,將傳統LED晶粒從1毫米縮小到1-50微米。

製造Micro LED的流程看起來比較簡單。第一步是在wafer上生長出微型LED晶粒,第二步是製造背板和驅動電路(backplane,傳統屏幕的背板就是TFT),第三步則是將微型LED從wafer上分離轉移到目標背板上。整個過程也涉及到檢測和缺陷修復。

但如此小的LED,意味着首先需要LED微縮製程,然後製造「合適」背板和複雜精密的驅動電路,最後將大量的RGB LED晶體從不同的生長源基板分離,再精準轉移嵌入目標背板並連接上驅動電路,所謂 pick-and-place。

舉個不恰當的例子。你要先挑三塊土壤養分不同的田畝,分別種上豌豆、玉米、小麥,代表RGB 三種LED晶粒,這三種長出來的作物顆粒只有原來1%左右大小,非常嬌嫩和精細。你還要蓋一個高科技的溫室大棚,裏面生長、灌溉等設備全部適配好。最後將屬性各異的豌豆、玉米、小麥從質地不一的田畝里一顆顆不能有絲毫損傷地收割好,轉栽到高科技溫室大棚里,每一顆作物都要跟大棚裏面的設備調校正確、精準適配。這樣你就能得到一個最先進的農產品基地——最理想的Micro LED显示面板。

Micro LED 商業化就卡在第三步基板分離和LED芯片「巨量轉移」良率和綜合製造成本上。

還有一種方案是基於單片集成工藝的Micro LED,將LED外延片直接與CMOS背板鍵合。類似豌豆、玉米、小麥三塊田只能挑一塊田,生長好一種作物后,在上面直接「蓋」一座高科技溫室大棚,並且把裏面設備連接裝置好。好處是不需要「巨量轉移」了,並且這個工廠的種植密度很高,壞處只能產出一種作物,以及「工廠」面積很小。即你只能獲得像素密度很高、尺寸很小的單色Micro LED屏幕,一般稱為硅基Micro LED。

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因為微縮製程、晶圓生長、巨量轉移、背板鍵合跟之前工藝差別巨大,在Micro LED上,显示企業前所未有需要深入了解和借鑒半導體工藝。半導體工藝和显示技術的融合,很有可能成為Micro LED落地和真正打開市場的關鍵鑰匙。

換句話說,Micro LED作為潛力巨大的game changing technology,有能力完全重塑目前的显示面板產業鏈,讓蘋果擺脫對三星OLED面板的依賴。蘋果如果憑藉Micro LED 製造一個巨大的專利壁壘,在掌控了Micro LED,這一層最好的显示技術后,蘋果垂直整合的堡壘更加牢不可破。

來自2020年Yole報告,Apple已授權MicroLED專利遙遙領先

台灣媒體曾報道,蘋果早在2014年就已經在竹科龍潭園區設立了Mini LED和Micro LED研發實驗室。到2020年6月,更有消息,蘋果計劃投資3.34億美元在台灣桃園龍潭園區建設新廠,並且與晶電(Epistar)和友達合作,為iPad、iPhone等產品提供Mini LED和Micro LED显示屏。

Bloomberg最近的報道也佐證了蘋果一直在積極推動Micro LED商業化。

​蘋果自研面板計劃內部代號為T159,在2018年加速發展腳步,當時還設定了最快2020年初讓產品開始改采Micro LED的目標。但是高昂的成本,多個工藝難題的阻礙,導致蘋果的面板計劃停滯不前。蘋果起初目標把Micro LED技術整合入大型面板,但遇挫後轉而聚焦面板尺寸約2英寸的蘋果手錶作為切入產品。

外媒還透露,蘋果正在距離Apple Park總部15分鐘車程、位於加州聖塔克拉拉一座面積6.2萬平方英尺的工廠試產Micro LED面板。

業內人士最近聲稱,Micro LED已經非常臨近商業化。但在實驗室製造出驚艷的Micro LED屏幕從來不是問題,高昂的成本、良品率提升、工藝真正成熟才是阻礙。

比如2020年12月,三星电子發布了一款110英寸4K分辨率Micro LED電視,售價15.64萬美元,約合人民幣102.356萬元。幾乎沒有人能用得起。

這背後是巨量轉移堪稱變態般的良率要求。

以一個4K UHD分辨率(3840*2160)的显示器為例,有8,294,400個像素單元,包含24,883,200個RGB子像素,即使生產時有99.99%的良率,仍會有2488個子像素會出問題。

巨量轉移的困難在於,

(1)待轉移的LED晶體外延層厚度僅有原LED的3%,同時LED尺寸更小,需要精度很高的精細化操作;

(2)一次轉移需要移動幾萬乃至幾十萬顆LED,數量十分巨大,要求有極高的轉移速率。

如何將良率提升到99.9999%(俗稱“六個九”,意味着每轉移一百萬顆芯片只能有一顆不良),且每顆芯片的精準度必須控制在±0.5μm以內。而且Micro LED製備流程中,很多步驟都會對良率造成一定的影響。

2014年蘋果低調收購LuxVue卻引發一場持續至今的Micro LED商業化競速,當年尚在襁褓期的Micro LED,只有蘋果果斷出手收購LuxVue,這家2008年成立的初創公司,在當時Micro LED消費电子大規模應用最關鍵的巨量轉移技術上(靜電拾取方案)領先所有人。

嘗試 Micro LED,收益巨大,風險同樣巨大。你不知道它在落地商業化是否存在根本性障礙,或者類似「火車剛面世時還沒有馬車快,還需要人工不斷添加燃料,但它後面的發展就完全超乎所有人的預料。」

03 Micro LED的投資熱潮,AR/VR推動力強大

早些年蘋果公司以扭曲現實力場著稱,在消費电子上有一種「創世」的魔力。iMac、iPod、iPhone、iPad、iWatch之後,2023年所有人都在等待蘋果MR頭顯的問世。

除了那種學不來的美學品味和產品哲學,其實蘋果公司更擅長先人一步發現「尚且非常粗糙」的先進技術,視野深且遠,對於地平線上出現的新東西有着非同一般的預見性。

當前Micro LED商業化最大的障礙,RGB三種超微LED晶粒從各自不同的生長源基板分離,再一批批大規模轉移到a-Si、LTPS、IGZO的目標TFT基板,pick-and-place ,這老大難的「巨量轉移」,十幾年來出現各種技術方案,但最關鍵的成本和良率一直沒見突破。

基於單片集成工藝的硅基Micro LED,完美避開了巨量轉移的問題。但問題是單片集成工藝的硅基Micro LED目前只能显示一種顏色(目前綠色LED的發光效率最高,亮度可以達到百萬尼特),也只有很小尺寸,無論是擴大晶圓尺寸還是量子點着色方案,都遇到了不小的阻礙。

圖為索尼4K分辨率 Micro OLED微顯屏,可以實現全彩显示

圖為JBD單色 Micro LED微顯屏,藍色、綠色、紅色

但硅基Micro LED小尺寸显示和超高的像素密度,幾乎就是為了AR/VR而生。這也是文章開頭 Plessy、Raxium、Compound Photonics、Atomistic 這些公司被科技巨頭們盯上的原因。

硅基Micro LED價值獨有首先體現在高ppi(每英寸的像素數量)特性上,以及超低功耗和理論上百萬尼特級的亮度。

雖然如今高端手機的像素密度早就來到了500ppi左右,但AR/VR要實現虛實融合效果,沉浸感拉滿,對於像素密度仍然有着非同一般的追求。當下FOV更高的VR所要求的「空間視網膜級分辨率」,Pixel Per Degree 每一度視場角像素密度要達到60,硅基Micro LED目前是最有希望的。

Micro LED超高亮度對於AR眼鏡尤其重要。AR眼鏡目前只有1%-5%光效率的光波導鏡片,入眼亮度要滿足全天候佩戴,特別是戶外白天強光環境,只有Micro LED光引擎理論上能夠達標。

在AR/VR應用上,LCD的光學層級結構顯得太過複雜,因此存在着較大程度的光和系統層面的損失與缺陷;而OLED則受限於有機材料發光特性,亮度低,壽命還是大問題。Micro LED克服了LCD和OLED各自的缺陷,在結構和材料層面碾壓LCD和OLED;AR/VR、可穿戴設備、投影機等大概率會成為Micro LED率先登場的應用——它們對於高ppi有着更天然的需求,Micro LED因此成為這些應用的絕對優選。

如今傳言估值100億、風光無限的JBD,基於單片集成工藝的硅基Micro LED實現了商業化。但採用JBD單綠色硅基Micro LED的OPPO、李未可、小米光波導眼鏡,看似體積小巧足夠輕薄,只能尷尬地显示綠色,也只能用作信息提示。JBD現成的RGB三塊Micro LED小面板Cube 稜鏡合色方案,這些公司都不願意真正深入嘗試下。INMO Air 2退而求其次採用OLED微顯屏,實現全彩显示,也是治標不治本。

除了這些問題,極其重要EQE(external quantum efficiency,外量子效率)和低功耗,它是Micro LED根本優勢所在。以及當下Micro LED中紅色LED的光效率對比綠色和藍色LED,需要有根本上的提高。

從理論上來說,Micro LED在EQE和功耗參數上優勢顯著。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microLED實際的功耗表現也差於OLED/LCD。但這些都可以理解為技術在新生階段遭遇工程層面的問題。

能夠實現全彩显示、RGB像素「正宗」排列的巨量轉移技術無法滿足Micro LED小於20μm小像素間距的要求。對角線小於2英寸的高分辨率显示應用,AR/VR所要求最完美的Micro LED的微顯屏,潛力巨大,依然等待有人能真正突破瓶頸。

Micro LED,這是一場關乎消費电子未來的真正競速。

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