工研院攜手LED 驅動IC 廠聚積科技、PCB廠欣興電子與半導體廠錼創科技，四方合力研發的次世代顯示技術微發光二極體（Micro LED）又有新進展。繼去年展出全球第一個直接轉移至PCB 基板的Micro LED 顯示模組后，時隔一年再公開的合作結晶成功實現了“『R』GB”全彩，但小小一塊板子背后所要解決的技術問題盡是挑戰。
紅光良率不比藍綠，弱化結構更是難題
Micro LED 技術談了好多年，眾所周知這是一門需要顛覆傳統制程、牽涉產業領域甚廣的破壞式創新技術，各個技術環節對領域專家而言都有不易突破的瓶頸。去年工研院與三廠合作開發的被動矩陣式驅動超小間距Micro LED 顯示模組，成功將Micro LED 陣列晶粒直接轉移到PCB 基板，只是“R”GB 全彩獨缺紅光。經過一番努力，今年總算是讓紅光“亮”了相。
有別于先前6 cm x 6 cm 的Micro LED 顯示模組，間距（Pitch）小于800 μm、解析度80 x 80 pixel，新版模組尺寸為6 cm x 10 cm，間距約在700 μm 以下、解析度96 x 160 pixel，LED 晶粒尺寸則同樣在100 μm內。從前端制程到后端轉移，工研院電光所智能應用微系統組副組長方彥翔博士提到兩大技術難題，一是紅光晶片利用率與良率不足，二是“弱化結構”。
▲2018 年所展出的超小間距Micro LED 顯示模組獨缺紅光，間距小于800 μm、解析度80 x 80 pixel
▲2019 年新版Micro LED 顯示模組成功達成RGB，間距約700 μm以下、解析度96 x 160 pixel
“以晶粒利用率和良率來看，紅光還是問題，”方彥翔以4 吋LED 晶圓為例指出，晶圓扣除2 mm 外徑后，可用區域的良率在單一標準值下或許可達99％，也就是單看波長（Dominant Wavelength，Wd）、驅動電壓（Forward Voltage，Vf）或反向漏電（流）（Reverse Leakage （Current），Ir）；但若三項數值標準都要兼備，整體良率很可能不到60％，尤其紅光受限于材料與特性，或許連50％ 良率都未必能達到。
光看可用區域的良率并不夠，方彥翔表示，Micro LED 制程下需要針對轉移的面積去定義良率。簡單來說，假設巨量轉移模組的轉移面積是6 cm x 3 cm，就表示在該矩形區域（block）里的Micro LED 陣列晶粒都必須符合前述三項良率標準，不能有壞點才能進行轉移，也就是說整片晶圓里可能只有某個特定區塊符合所有標準，良率不夠穩定導致能轉移的區域少、整片利用率也大幅下降。以目前產業最頂尖的技術來說，晶圓晶粒要做到超高均勻度都還有很大努力空間。
▲紅光受限于材料與特性，良率比藍光、綠光相對更低
不僅Micro LED 紅光良率有待改善，具有弱化結構的Micro LED 更是難求。
弱化結構是巨量轉移成功與否的一大關鍵。方彥翔說明，Micro LED 晶粒在制程階段得先跟矽或玻璃等材質的暫時基板接合，再透過雷射剝離（laser lift－off）去除藍寶石基板，接著以覆晶形式將原本的LED 結構翻轉、正面朝下，并使P 型與N 型電極制作于同一側，對于微縮到微米等級的Micro LED 來說又更具難度。
為了讓Micro LED 在巨量轉移的吸取過程中，能夠順利脫離暫時基板又不至破片，因此得在LED 下方制作中空型的弱化結構，也就是以小于1 μm 的微米級柱子支撐。當轉移模組向上吸取LED 時，只要斷開柱子便能將Micro LED 脫離暫時基板，再轉移下壓至TFT 或PCB 板上，但這一步驟也考驗LED 本身夠不夠強固、承受壓力時是否仍能保持完好，而紅光比起藍光和綠光相對更脆弱易破，加上PCB 板粗糙度（roughness）較大、上下高低差大于200 μm，稍微施壓不當就可能降低紅光轉移成功率。
至于玻璃基板則因為粗糙度沒有PCB 板來得大，Micro LED 轉移難度也相對較低。去年工研院便展出過一款6 cm x 6 cm、間距約750 μm、解析度80 x 80 pixel 的Micro LED 透明顯示模組，所采用的就是超薄玻璃基板，技術上成功實現了RGB 三色；而今年所制作的新版Micro LED 透明顯示模組，尺寸為4．8 cm x 4．8 cm，間距約375 μm、解析度120 x 120 pixel，明顯比前一款的顯示效果更為細致。
▲2018 年版Micro LED 透明顯示模組，間距約750 μm、解析度80 x 80 pixel
▲2019 年版Micro LED 透明顯示模組，間距約375 μm、解析度120 x 120 pixel
聚焦三大應用：電競熒幕、AR、透明顯示器
Micro LED 具備高亮度、高效率低功耗、超高解析度與色彩飽和度、使用壽命較長等特性，在電競熒幕（Gaming Monitor）、擴增實境（AR）、透明顯示器等應用領域，要比OLED、LCD 更能發揮優勢，而這三大應用也是工研院最為看好也正積極發展的方向。
以電競熒幕應用來看，方彥翔提到目前市場上雖然已有次毫米發光二極體（Mini LED）技術切入，但始終是做為顯示器背光，Micro LED 則可直接做為pixel 顯示不需背光源。相較于Mini LED 或同樣為自發光顯示技術的OLED，Micro LED 對比度更高更純凈、顯色表現也更佳，在最關鍵的刷新率表現上也優于OLED，而且無烙印或衰退問題，未來在高端消費市場的發展潛力相當可期。
▲工研院Mini LED 顯示模組采用PCB基板，模組尺寸6 cm x 6 cm、間距小于800 μm、解析度80 x 80 pixel
提到Micro LED 應用于AR 的發展機會，方彥翔已不只一次表達過正面看法。他認為Micro LED 有機會在AR 領域發展為顯示光源主流技術，但就技術而言還有很多難題有待克服，除了Micro LED RGB 三色良率和效率問題需要重新調整外，若以單色Micro LED 結合量子點（QD）色轉換材料的方式，也還有其他問題存在。
而且，AR成像目前遇到的問題為系統光波導（Optical Waveguide）吸收率極高，因此若要在系統要求的低功耗前提下，Micro LED 所需要的亮度將高達100 萬nits，別說Micro LED 現在還很難做到，連技術成熟的OLED 和LCD 都無法達到，更何況AR 畫素密度約2，000 ppi 以上，間距在12．8 μm 左右，單一子畫素（Sub－pixel）必須微縮到4 μm 以下，Micro LED 若以傳統制程進行制作，效率將大幅下降，在一定功耗要求下，光要達到10 萬nits 就已經非常困難。
“所以LED 小于10 μm 以后，亮度就是另一個世界，”方彥翔說，“要提升LED 在AR 上的效率，就必須從半導體的結構和制程去改變，要有突破才有辦法達到”。盡管AR 應用可能還需要五年才有機會實現，但他認為這確實是臺灣可以發展的Micro LED 利基市場。
至于工研院所開發的透明顯示器采被動式無TFT，主要以3 到4 吋模組拼接形式，聚焦車載和被動式應用。提到透明顯示器車載應用，方彥翔指出，OLED 透明度雖然可達60％ 到70％，但解析度難做高；Micro LED 透明度可達70％ 以上，顯示也相對更清晰。目前工研院正與廠商進行產品試做，也會持續發展有關應用。
方彥翔直言，Micro LED 就技術開發來說還需要一段時間，若朝OLED 和LCD 現有市場發展替代應用已經太晚，也不一定會有競爭優勢，加上良率有限、成本難降，要跟技術成熟的LCD 和OLED 競爭并不容易。但他相信，OLED 或LCD 達不到的技術就是Micro LED 的機會，尤其電競熒幕、AR 和透明顯示器等高技術門檻的利基應用，或許可為臺灣發展Micro LED 的路上亮起希望。
