Micro-LED-technologie: architectuur, evolutie en commerciële toepassingsmogelijkheden

Micro-LED is als belangrijke richting voor de volgende generatie displaytechnologie de fase van "technische tests" voorbij. Het bevindt zich nu in een vroeg stadium van technische volwassenheid en is officieel het "eerste jaar van toepassing" ingegaan.

Deze innovatieve technologie integreert zelflichtende diodes met een hoge dichtheid op micrometerschaal op een driver-backplane. Dankzij multidimensionale technologische doorbraken hervormt het actief het landschap van de beeldschermindustrie.

Basisbegrip van micro-LED's

Technische definitie

Micro-LED, een afkorting van micro-lichtemitterende diode (ook bekend als mLED of μLED), is een geavanceerde displaytechnologie die traditionele LED's dunner, miniaturiseert en in een matrix plaatst. De pixelgrootte varieert van 1 tot 100 micrometer. Dat is slechts 1% van de grootte van conventionele LED's. Bovendien is de pixelafstand verkleind van millimeters naar micrometers, omdat het scherm is opgebouwd uit een matrix van individuele LED-eenheden.

Weergaveprincipe

Elke Micro LED-pixel bestaat uit drie subpixels: rood, groen en blauw. Cruciaal is dat elke subpixel onafhankelijk kan worden aangestuurd, waardoor een nauwkeurige afstelling van helderheid, kleur en contrast mogelijk is. De array maakt gebruik van kruisende positieve en negatieve rasterelektroden om verbinding te maken met de aansluitingen van elke Micro LED.

De beelden worden weergegeven door deze elektrodelijnen achtereenvolgens van stroom te voorzien en te scannen om de pixels te verlichten. In sommige ontwerpen wordt het licht van de LED's verder verwerkt door een combinatie van lenzen, spiegels en kleurenfilters. 

Kernprocessen

Het basisproductieproces van Micro LED omvat drie belangrijke stappen.

Ten eerste wordt de LED-structuur dunner, geminiaturiseerd en in een array geplaatst.

Vervolgens maakt het gebruik van uiterst nauwkeurige microfabricagetechnologie om batches micro-LED's over te brengen op stijve, flexibele of transparante printplaatsubstraten.

Ten slotte wordt door middel van fysieke depositie een beschermende laag en een bovenste elektrode aangebracht, waarna het substraat wordt ingekapseld om een ​​eenvoudig maar functioneel beeldscherm te vormen.

Zie ook:

MiP versus glassubstraat: wat is het beste pad voor micro-LED-schermen?

Belangrijkste technische voordelen van micro-LED's

Met zijn unieke technische principes en structuur biedt Micro LED uitgebreide prestaties die traditionele displaytechnologieën ver overtreffen. De belangrijkste voordelen kunnen als volgt worden samengevat:

Uitstekende optische en kleurprestaties.

Micro-LED's maken gebruik van halfgeleidermaterialen met een directe bandgap, zoals GaN. Hierdoor heeft het emissiespectrum een ​​bandbreedte op halve hoogte (FWHM) van slechts 20 nm, waarmee 120% van het NTSC-kleurenspectrum wordt bestreken.

In combinatie met quantum dot-kleurconversietechnologie kan dit kleurenspectrum worden uitgebreid tot 150% sRGB. Dit levert een uitstekende kleurweergave en nauwkeurigheid op. Bovendien zijn achtergrondverlichting en kleurfilters overbodig, waardoor ultrahoge dynamische contrastverhoudingen tot wel 1,000,000:1 mogelijk zijn.

Laag energieverbruik en hoge helderheid

Bovendien is het stroomverbruik slechts 10% van dat van lcd's en 50% van dat van oled's. De helderheid is echter tien keer zo hoog als die van oled's, met een maximale output van 4000 nits.

Bovendien heeft een Micro LED bij dezelfde helderheid slechts 10% van het coatingoppervlak van een OLED nodig. Dit bespaart waardevolle ruimte op apparaten, waardoor er meer sensoren geïntegreerd kunnen worden.

Hoge betrouwbaarheid en lange levensduur

Micro-LED is gemaakt van anorganische materialen en voorkomt daardoor de verouderingsproblemen van de organische lagen van OLED. Het lost niet alleen het probleem van inbranden van het scherm volledig op, maar biedt ook een levensduur van meer dan 100,000 uur. Bovendien elimineert de reactietijd van nanoseconden bewegingsonscherpte, waardoor het ideaal is voor snelle, dynamische weergavescenario's.

Hoge integratie en flexibele vormfactoren

De pixelafstand van micro-LED's kan worden verkleind tot onder P0.1, met een maximale pixeldichtheid van 1800 ppi. Ze zijn bovendien compatibel met stijve, flexibele en zelfs transparante ondergronden.

Bij flexibele substraten kan de buigradius minder dan 1 mm bedragen, waardoor dunne, lichtgewicht ontwerpen mogelijk worden en de potentie voor flexibele en transparante vormen wordt ontsloten.

Gerealiseerd:

Hoe zorgt MIP-procestechnologie voor een doorbraak in ultra-HD fine-pitch LED-schermen?

Architectuur van de belangrijkste componenten en technische knelpunten

Het technische systeem van Micro LED omvat multidimensionale precisieontwerp- en fabricageprocessen. Het kampt echter nog steeds met een aantal cruciale knelpunten die moeten worden aangepakt:

Chiplaag

Wat de chip betreft, maakt Micro LED gebruik van InGaN-gebaseerde LED's. De structuur, van onder naar boven, omvat een saffier substraat, een GaN-bufferlaag, een N-type GaN-laag, een actieve laag met meerdere kwantumputten (MQW), een P-type GaN-contactlaag en een stroomspreidingslaag.

De actieve MQW-laag zendt licht uit door middel van elektron-gat-recombinatie, en het aantal lagen heeft een directe invloed op de lichtopbrengst en de golflengtestabiliteit.

Tijdens het productieproces:

MOCVD-technologie wordt gebruikt om de gasstroom bij 1000–1100℃ nauwkeurig te regelen, waardoor epitaxiale groei van GaN-materialen mogelijk wordt.

Vervolgens wordt ICP-etsen toegepast om onafhankelijke pixeleenheden te vormen, waarbij groeven de saffierlaag doordringen voor elektrische isolatie.

Ten slotte worden Ti/Au ohmische contactelektroden aangebracht op de N-type en P-type GaN-lagen, in combinatie met een Ni/Au stroomspreidingslaag om de laterale stroomverdeling te optimaliseren.

Het grootste knelpunt is dat de efficiëntie van rode micro-LED's veel lager is dan die van blauwe en groene chips. Bovendien blijft het een uitdaging om de helderheid en golflengte consistent te houden over miljoenen chips. Dit vereist doorbraken in nieuwe halfgeleidermaterialen en precisie-inspectietechnologieën voor de productie.

Massatransfer- en bindingstechnologie

Een andere cruciale uitdaging ligt in de technologie voor massaoverdracht en bonding. Dit is een essentiële stap voor de industrialisatie van micro-LED's. Dit proces vereist de nauwkeurige overdracht van miljoenen, of zelfs miljarden, chips op micrometerschaal van het groeisubstraat naar de driver-backplane, met eisen aan precisie van ±1 μm en een rendement van meer dan 99.99%.

Momenteel bestaan ​​er drie gangbare technische routes:

• Laser Lift-Off (LLO): Geschikt voor zowel stijve als flexibele materialen.
• Vloeistofgestuurde zelfassemblage: Goedkoop maar traag.
• Elastische stempeloverdracht: Geschikt voor grote panelen, hoewel de opbrengst beperkt is door materiaalvervorming.
• Voor de verbinding worden Sn-Ag metaal-eutectische verbindingen of Microbump-verbindingen gebruikt om elektrisch contact te realiseren tussen chips en de backplane, waarbij de verbindingshoogte wordt geregeld tussen 1 en 5 μm.
• De R&D-focus op dit gebied ligt tegenwoordig op het verbeteren van de transportsnelheid en het rendement. Parallel daaraan worden nieuwe methoden, zoals rollentransport, ontwikkeld met als doel de kosten te verlagen tot een marktconform niveau.

Drivercircuit en backplane-architectuur

Wat betreft drivercircuits biedt Micro LED drie modi:

Passieve matrix (PM):

Eenvoudig van structuur, maar hoog energieverbruik. Geschikt voor toepassingen met een lage resolutie, zoals smartwatches.

Actieve matrix (AM):

Het integreert onafhankelijke TFT-drivercircuits voor elke pixel. Het ondersteunt hoge resolutie en grijsschaalregeling. Daarom is het de meest gebruikte oplossing voor AR/VR-headsets.

Semi-actieve matrix:

Combineert de voordelen van PM en AM, door gebruik te maken van aansturing met één transistor, met prestaties die tussen die van de twee in liggen.

De materiaalkeuze voor de backplane moet aansluiten bij de toepassingsscenario's:

Glazen substraten:

Ze bieden een hoge vlakheid en lage thermische uitzettingscoëfficiënten, waardoor ultrafijne pixelafstanden onder P0.4 mogelijk zijn voor hoogwaardige beeldschermen.

Op silicium gebaseerde CMOS:

Het apparaat biedt een hoge mate van integratie en is ideaal voor AR-microdisplays.

Flexibele ondergronden:

Het is geschikt voor draagbare apparaten.

Momenteel ligt de grootste vraag naar backplane-technologie in de ontwikkeling van substraten die geschikt zijn voor enorme chips op micrometerschaal en tegelijkertijd efficiënte, onafhankelijke aansturing mogelijk maken. In de sector van grote schermen wordt onderzoek gedaan naar substraten van LTPS-glas (Low Temperature Polycrystalline Silicon).

Verpakking en optisch ontwerp

Verpakkingstechnologie volgt twee hoofdrichtingen:

MiP-schema:

Eerst worden de chips verpakt in afzonderlijke componenten van het formaat 0202, die vervolgens op printplaten worden gemonteerd. Met een rendement van meer dan 99% en compatibiliteit met bestaande productielijnen zal deze technologie de commerciële displaymarkt op korte termijn domineren.

Verpakkingen op basis van glas:

Voltooit massaoverdracht en verpakking direct op glazen substraten. Hoewel het theoretisch goedkoper is, bedraagt ​​de huidige opbrengst slechts ongeveer 85%, wat verdere verbeteringen vereist.

Voor optische verbetering worden twee belangrijke methoden gebruikt:

Nano-afdruktechnologie om microlensarrays op pixeloppervlakken te creëren, waardoor de lichtextractie-efficiëntie met meer dan 30% wordt verhoogd.

Het coaten van quantumdotmaterialen op blauwe LED-chips voor efficiënte full-color weergave. De stabiliteit en lichtopbrengst van quantumdotmaterialen blijven echter belangrijke uitdagingen.

Inspectie- en reparatietechnologie

Om een ​​optimale paneelopbrengst te garanderen, is Micro LED uitgerust met een uitgebreid inspectie- en reparatiesysteem.

Online inspectie maakt gebruik van hogeresolutiecamera's en AI-algoritmen om defecte pixels met een precisie van ±0.1 μm te identificeren. Laserreparatie gebruikt laserenergie om elektroden te smelten of opnieuw te verbinden, waardoor een reparatiepercentage van meer dan 95% wordt bereikt. Bovendien zijn er reservepixels in het drivercircuit aanwezig om defecte pixels te compenseren door middel van circuitomschakeling. Dit kan de beeldkwaliteit verder waarborgen.

Technologische evolutie en de structuur van de industriële keten

Belangrijke technologische doorbraken

De afgelopen jaren heeft Micro LED een aantal belangrijke doorbraken bereikt. Op het gebied van massaoverdracht heeft Aledia's op silicium gebaseerde nanodraadtechnologie de opbrengst verhoogd tot 95% met een overdrachtssnelheid van 50,000 chips per seconde.

Voor driver-IC's maakt TBSilicon's hybride PWM+PAM-mengtechnologie een verversingsfrequentie van 1200 Hz mogelijk bij een helderheid van 1 nit. Voor full-color displays heeft Konka, dankzij hybride massatransfertechnologie, de massaproductie van 15×30 micrometer full-color chips met een opbrengst van 99.9% gerealiseerd.

Industriële ketenstructuur

Stroomopwaartse materialen:

De lokalisatiegraad van saffiersubstraten is hoger dan 60%. Hooguniforme GaN-epitaxiale wafers zijn echter nog steeds afhankelijk van buitenlandse bedrijven zoals het Japanse Sumitomo Electric, waardoor er ruime mogelijkheden zijn voor binnenlandse alternatieven.

Midstream-productie:

 San'an Optoelectronics en HC Semitek hebben 8-inch Micro LED-waferlijnen gebouwd, terwijl BOE en Tianma Microelectronics 6e-generatie glasgebaseerde productielijnen hebben opgezet, die de grootschalige massaproductie van kernprocessen mogelijk maken.

Downstream-toepassingen:

Sony en Samsung domineren de markt voor professionele beeldschermen, terwijl Apple en Meta de R&D voor AR/VR-microdisplays versnellen. Naar verwachting zal het penetratiepercentage van head-up displays (HUD) in auto's in 2030 8.5% bereiken.

Samenvatting

Door technologische innovaties zoals chipminiaturisatie, massaoverdracht en geïntegreerde aansturing heeft Micro LED de traditionele displaytechnologieën zoals LCD en OLED qua prestaties overtroffen.

Hoewel er nog steeds uitdagingen zijn zoals hoge kosten en een onvoldoende opbrengst in sommige kernprocessen, wordt verwacht dat de kosten geleidelijk zullen dalen. Dit wordt gedreven door voortdurende doorbraken in glasgebaseerde verpakkingen, full-color displays met één chip en andere belangrijke technologieën, evenals schaalvoordelen als gevolg van industriële samenwerking.

Naar verwachting zal de wereldwijde markt voor micro-LED's in 2030 een omvang van meer dan 20 miljard dollar bereiken. Deze markt zal niet alleen de drijvende kracht worden achter de modernisering van de display-industrie, maar zal ook blijven zorgen voor nieuwe groeimogelijkheden in hoogwaardige commerciële toepassingen, consumentenelektronica, de automobielsector, AR/VR en andere sectoren.