microLED技術準備發光發亮

經過二十幾年的製程發展，microLED的品質與性能已經準備好投入顯示器產業。

       1995 年發布的任天堂 Virtual Boy或許是最早使用 LED 作為顯示器的消費性產品。它僅使用一排 224 個紅色像素來實現單色的立體 3D 顯示。顯示器的振盪鏡以384行的寬度掃描過這排像素，最終達到 384 × 224 像素的解析度 [1]。然而，Virtual Boy 在商業上是個失敗品——它是任天堂唯一一款銷量不到一百萬台的遊戲主機——而 LED 顯示技術的發展也就此停滯不前。

       LED起初並未用於顯示、照明或任何其他現代應用，其用途僅限於電子產品中的簡單指示燈。LED 的歷史可以追溯到 1960 年代，那時紅色和綠色 LED 是由砷化鎵和磷化鎵這些半導體材料製成的。較高的成本、低能量效率和低亮度限制了早期 LED 的實用性和使用率。彩色顯示器需要紅色、綠色和藍色（RGB）的子像素分別以不同的亮度結合成單個像素，從而達成由國際照明委員會（一個關於光、照明和顏色的權威機構）所設定的色譜範圍。

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       要製造出可見亮度的藍色LED原本是不可能的，一直要到1993年才由中村修二首次發明了藍色 LED 。加上他和其他人後續又對綠色 LED 進行了大量改良，使得結合三原色光以發出涵蓋整個色譜的彩色光成為可能 [2]。由於這項開創性的工作，中村修二、赤崎勇和天野浩獲頒 2014 年諾貝爾物理學獎（見今日物理學，2014 年 12 月，第 14 頁，Physics Today 67 (12), 14–17 (2014); https://doi.org/10.1063/PT.3.2606）。

       藍色 LED的難題被解決後，堪薩斯州立大學的研究人員在1998 年提出了 LED 微型化的概念，稱為 microLED。在一項專利中，研究人員概述了 microLED 作為迷你顯示器的高亮度元件以及檢測器或傳感器的潛在用途 [3]。與 LED 不同的是，microLED 的尺寸範圍從幾微米到一百微米不等 [4]。當在陽極上施加正電壓並在陰極上施加負電壓時，電流會流過 microLED 使其發光。在這個過程中，帶電載流子包括電子和空穴流過活性半導體材料，兩者復合後將電能轉換為光能以光子的型態輻射而出。

       microLED 的技術進展出現在 2001 年，當時堪薩斯州立大學的研究小組展示了一款藍色單色 microLED 微型顯示器 [5]。十年後，同一研究小組（現已移至德州理工大學）使用氮化銦鎵和氮化鎵製作了第一款具有 640 x 480 解析度和影片圖像功能的藍綠 microLED 顯示器 [6]。從那時開始，氮化銦鎵和氮化鎵材料的品質提升使得microLED 的亮度、效率、壽命和製造技術取得了顯著進展。顯示器產業對 microLED 十分感興趣，因為它們日益關注擴增實境(AR)和虛擬實境(VR)的相關技術。

為什麼是microLED?
       microLED 的主要優勢在於其超高亮度、高效率和超過十萬小時的長壽命。超高的亮度對於需要在戶外與陽光亮度較勁的擴增實境顯示特別重要。圖 1 將其他發光源與 microLED 進行了比較，顯示出 microLED 的亮度能力比液晶顯示器（LCD）和有機 LED（OLED）高出三個數量級。包括 Meta（成立 Reality Labs）和 Google（於 2022 年收購 Raxium）等頂尖科技公司已將 microLED 視為下一代顯示技術的趨勢。其他應用包括智慧手錶和智慧手機的小型顯示器、汽車產業的平視顯示器和資訊娛樂顯示器，以及需要高亮度的小型便攜式投影機。

圖1. MicroLED 技術比其他發光技術更亮。microLED 的亮度比晴朗白天高出兩個數量級以上，因此在戶外使用的顯示器中也適用。

       microLED 顯示器經常與 LCD 和 OLED 顯示器直接比較，但每種技術根據具體的應用情境都有各自的優缺點。在傳統顯示器中，microLED 技術不應與 miniLED 技術混淆。miniLED 透過使用許多較小的 LED 作為背光源，為傳統 LCD 提供更好的對比度和局部調光區域。microLED 則代表了更重要的技術躍進，因為它們提供了真正的自發光特性。自發光 microLED 顯示器和 OLED 顯示器類似，當中每個像素本身都會放出各自顏色的光。自發光特性可以達成真正的黑階（black level）和高對比度，因為每個像素在未使用時會完全關閉。

       相對的，LCD 技術會不斷發出白光並用彩色濾光片來實現 RGB 子像素。儘管 LCD 成本效益高，但它們依賴背光源，無法實現高對比度和輕薄外形。LCD 和 microLED 顯示器比 OLED 顯示器更耐用且壽命更長，因為它們較不易發生像素烙印的情形。雖然 OLED 顯示器的生產成本不如 LCD 便宜，但它們的價格已大幅下降，尤其是在行動裝置方面，同時也仍比 microLED 更具成本效益。此外，OLED 顯示器可以在柔軟和可變形的基板上建構，以製作可折疊和曲面顯示器。microLED 顯示器在高性能、耐用性和能源效率方面則勝過 OLED 顯示器和 LCD 。

       為了產生整個可見光譜的顏色，RGB 子像素需要緊密排列並顯示出不同的強度。當從足夠遠的距離觀看顯示器時，人眼會將子像素視為單一光源，各種顏色看似混合在一起。三種顏色的子像素如果都由相同的半導體材料製作對簡化製程來說是再好不過。製造藍色 LED 最常用的材料是夾在氮化鎵層之間的氮化銦鎵。LED 透過磊晶生長在藍寶石基板上：在專門的沉積腔室中，單原子晶體層一層一層地沉積在晶軸向整齊的種子層上。

       衡量製造品質的標準之一是外部量子效率（external quantum efficiency, EQE）的提高，這是指發射的光子數與注入半導體材料的電子數的比率。藍色 microLED 的 EQE 可以超過 40%，但在使用氮化銦鎵製造尺寸小於20微米的紅色和綠色 microLED 時，實現相同效率並不容易。利用氮化銦鎵 microLED 獲得高效綠光的困難挑戰被稱為「綠色鴻溝」(Green Gap)現象，主要肇因於生長的氮化銦鎵晶體品質較低。

藍到綠到紅
       LED 發出的光取決於活性材料的能隙，也就是材料中電子態之間的能量差，這些電子態分為導帶和價帶。材料的能隙由晶體結構參數（例如晶格常數）決定。氮化銦鎵中的銦導致材料具有更高的晶格常數，其能隙也因此比氮化鎵更小。

        更小的能隙會放出能量較低的光，意即更長的波長。隨著材料中的銦成分逐漸增加而能隙變窄，放出的光會從藍色變為綠色，最終變成紅色。這種情況下活性氮化銦鎵層與下方的氮化鎵層的晶格常數差異較大，因此會在氮化銦鎵層中產生壓應力，進而導致晶體缺陷並降低材料的發光效率。使用氮化銦鎵和氮化鎵奈米線的方法近期在綠色 microLED 中實現超過 25% 的 EQE，顯著地縮小了綠色鴻溝 [8]。

       要使用氮化銦鎵放出紅光也需要面對同樣的難題。與綠色 microLED 相比，紅色 microLED 需要更高的銦含量，這會帶來更嚴重的晶格差異。為了在氮化銦鎵層中加入更多的銦，製造溫度必須更低，但這會導致缺陷密度提高並降低 microLED 的整體效率。使用磷化鋁銦鎵材料系統來取代氮化銦鎵製造出的紅色 microLED 效率更高，但仍會發生非輻射復合，也就是電子和空穴復合但不放出光。非輻射復合以熱能的形式釋放能量，如果沒有適當的散熱措施，裝置溫度升高會進一步降低 microLED 的效率。

       近年來，使用氮化銦鎵和氮化鎵奈米線製造的紅色 microLED 效率已經有所提升。研究人員透過這些技術實現了約 8% 的 EQE 值，使得紅色 microLED 開始縮短與藍色 microLED 的性能差距 [9]。儘管紅色 microLED 的效率尚未達到藍色 microLED 的水準，但研究正持續進行，包括奈米線、應變量子井生長和雙量子井等技術，都持續展現出潛力。

       有鑑於綠色和紅色 microLED 的效率低落，以及單一顯示器中三種材料的整合困難，研究人員開發了顏色轉換技術作為實現彩色顯示器的替代解決方案之一。其中一種技術使用量子點從藍色 microLED 中獲得綠色和紅色 [7]。

       量子點是微小的半導體顆粒，通常直徑為 2 到 10 奈米。與較大的顆粒不同的是，量子點小到量子力學效應賦予它們獨特的光學和電子性質。量子點最重要的特性之一是它們能夠依其大小不同放出各種顏色的光，因此也可以放出綠光和紅光。（更多關於量子點的資訊，請參見《Physics Today》，2023 年 12 月，第 16 頁，以及 Dan Gammon 和 Duncan Steel 撰寫的文章，《Physics Today》，2002 年 10 月，第 36 頁。）

       另一種顏色轉換技術使用磷光粉。這些發光物質通常由兩種材料組成：以寬能隙氧化物或硫化物組成的主材料，以及過渡金屬活化劑。當磷光粉暴露在短波長的輻射能量下時，它們會放出波長相對較長的光。將磷光粉暴露在紫外線或藍光源下會激發材料中的電子進入較高能態。激發的電子在返回較低能態時會放出特定顏色的光。磷光粉材料中的活性劑決定了放射光的波長。

       就顯示器應用而言，這兩種顏色轉換技術均使用高效的藍色 microLED，並將波長轉換為綠光和紅光以實現彩色顯示。然而，將量子點或磷光粉整合到顯示器中會增加製程的步驟和複雜性。使用量子點進行顏色轉換的過程中，光子行進的效率低落引起的光學損失可能會使整體效率降低達 50% [10]。顏色轉換技術還可能受到相鄰子像素的串擾影響，導致顏色不準確和影像模糊。

全彩整合
要將微米級光源組合成一台顯示器，需要將數百萬個像素組裝在背板（用來處理邏輯和驅動電流的電子電路）之上。一個高解析度1920 × 1080顯示器需要大約六百萬個microLED。然而，顯示技術的要求非常嚴苛：每一個壞掉的像素對終端使用者來說都很明顯，所以需要極高的良率才能製造出可以運作的顯示器。組裝microLED顯示器的方法必須達到工業規模上的速度和準確性。考量到這些因素，業界發展了兩種方法：巨量轉移技術和單片整合，這兩者各有優勢和挑戰。

       巨量轉移技術更適合於較大的行動裝置顯示器、電腦螢幕和數位標示牌。個別的RGB子像素從原本的捐贈基板中被挑起，並轉移到目標基板。這種方法讓我們可以依據驅動背板選擇適合的基板。選擇不同的捐贈基板便可以用不同的材料系統製作RGB子像素，如此一來每個子像素都能搭配最有效的microLED材料。這種方法也不需要顏色轉換層技術，如量子點或螢光粉。

       最成功的巨量轉移方法似乎是透過一個「印章」將RGB子像素移動到驅動背板上 [11]。圖2展示一個使用巨量轉移方法製造的microLED顯示器。microLED首先在一個犧牲層上被製造出來，隨後該犧牲層被溶解，使得microLED懸浮在一層薄博的空氣之上，透過細小易斷的纖維固定在基板上。彈性體印章或打印頭等轉移機制會利用凡德瓦力、吸力或黏合劑將microLED一批一批地從捐贈基板上拔除。

圖2. 這款由X Display Company製造的5.1吋RGB顯示器解析度為320 × 160像素。插圖展示了這個microLED顯示器的RGB（紅、綠、藍）子像素，這些子像素是使用彈性體印章的巨量轉移工藝組裝而成。（改編自參考文獻15。）

       印章或打印頭會將microLED移動到目標基板上，接著它們會被對齊並固定在預定的位置。目標基板透過傳統光刻技術所沉積的金屬層與轉移過來的microLED建立導電接觸。研究人員已經採用機器人挑取放置以及捲對捲技術來打造良率足以投入產業應用的高解析度顯示器，儘管成本可能依然偏高 [1]。

      另一種巨量轉移方法使用流體自組裝 [12]，也就是在流體的作用之下將microLED子像素組裝到目標基板上。其概念源自於互補元件在流體環境中接觸時會自發性組裝成穩定的結構。研究人員已經使用這個過程將砷化鎵LED組裝到矽背板上 [11]。這種方法簡單、成本低且具擴展性，但要獲得高良率並將各個RGB子像素組裝成單一像素並不容易。圖3a為彈性體印章技術之示意圖。

圖3. 使用microLED製作全彩顯示器通常採用兩種方法。（a） 巨量轉移方法中，彈性體印章將個別的microLED從捐贈基板上移除，然後貼到受體基板上（改編自參考文獻16）。（b） 在單片整合方法中，矽薄膜電晶體與microLED在同一基板上並排製造，因此不需要巨量轉移。microLED由p型氮化鎵層、銦鎵氮層和n型氮化鎵層組成。紫色箭頭代表光的發射方向。電晶體的三個端子——源極、漏極和柵極——連接到電子電路，而介電層將氮化鎵層隔離開來。（改編自參考文獻17。）

原生像素
與其將microLED像素從一個基板轉移到另一個基板，單片整合技術直接在原生基板上處理microLED像素。在原生LED基板上提供驅動電路（也就是用於操控像素的電子裝置），也就不需要轉移個別像素。尺寸小至幾微米的microLED像素可以製造出像素密度極高的微顯示器，當中每英吋超過5000個像素。實現單片整合有三種主要方法：矽上磊晶microLED、在藍寶石磊晶microLED上製造電晶體，以及將microLED基板與CMOS晶片進行覆晶整合。圖3b展示了其中一種單晶整合方法：在同一基板上打造薄膜電晶體與microLED像素。

原生像素
       與其將microLED像素從一個基板轉移到另一個基板，單片整合技術直接在原生基板上處理microLED像素。在原生LED基板上提供驅動電路（也就是用於操控像素的電子裝置），也就不需要轉移個別像素。尺寸小至幾微米的microLED像素可以製造出像素密度極高的微顯示器，當中每英吋超過5000個像素。實現單片整合有三種主要方法：矽上磊晶microLED、在藍寶石磊晶microLED上製造電晶體，以及將microLED基板與CMOS晶片進行覆晶整合。圖3b展示了其中一種單晶整合方法：在同一基板上打造薄膜電晶體與microLED像素。

       雖然在原生基板上長出的microLED是最有效率的光源，但它們也可以生長在矽基板上，而高效的藍色LED可以經由顏色轉換獲得其他顏色。在矽基板上生長的microLED非常適合用於背板製造，因為圍繞矽材料建構的電晶體技術已經非常成熟 [13]。

       由於晶格差異較大，矽基板上生長的microLED品質和發光效率在傳統上較差。在氮化鎵與矽之間放置氮化鋁這類的緩衝層可以改善其效率。然而，除非在矽基板上生長的microLED效率可以和原生基板上的對手相提並論，否則它們無法被用於產品中。矽上生長microLED的另一個弱點在於其他技術（例如選區磊晶和應變量子井）能在單一基板上直接做出RGB像素，無需顏色轉換。

       至於藍寶石基板上的microLED顯示器，其驅動電路是透過在microLED上製造薄膜電晶體來達成。驅動電路需要依順序選擇所需像素，亦稱為像素定址（pixel addressing）。非晶矽和氧化銦鎵鋅等材料被選作為製造必要電晶體的半導體層。但製造出的電晶體規格要達成與CMOS工藝同樣好的一致性，對研究人員來說仍然相當具有挑戰性。此外，這類顯示器本質上是單色的，需要顏色轉換技術來實現複雜的RGB像素，如同藍色microLED製造的顯示器。

       多孔氮化鎵技術的近期發展開啟了動態可調色像素的大門。透過電化學蝕刻形成的多孔氮化鎵由於晶格應變減少，使microLED的氮化銦鎵晶體中可以容納更多的銦。像氮化銦鎵和氮化鎵這樣的材料系統因此能夠高效地放出紅光。使用多孔氮化鎵技術調色的像素可以放出的光譜範圍涵蓋從藍光到紅外光的範圍。調色功能消除了生長和轉移多種顏色子像素的需求。在2023年Display Week活動中，Porotech公司展示了首款使用多孔氮化鎵技術實現單片整合所製造的單面板、全彩微顯示器 [14]。

       另一種整合方法是先在藍寶石上製造氮化鎵，然後利用覆晶接合和熱壓等技術將其結合到傳統的CMOS背板。覆晶接合使用金屬凸塊來連接兩個電子裝置。這種方法適用於像智慧手錶和AR與VR顯示器這類的高像素密度小尺寸顯示器。

       主動矩陣式定址（active-matrix addressing）指的是每個像素都連接到一個電晶體並個別施加電壓進行控制，因此每個像素需要在microLED端子和CMOS背板上各有一個接合點。這種方法對於高解析度顯示器來說有效，但接合方法的高複雜性使其不適合大規模生產。相對簡單的被動矩陣定址（passive-matrix addressing）將像素依照行和列進行連接，然後直接對整個結構施加電壓。這種配置製造簡單，但缺乏高解析度顯示器所需的高刷新率。儘管如此，被動矩陣定址對於低解析度顯示器仍然實用，使其成為學術界用於演示的常見作法。

microLED的下一步在哪？
       除了擴展、封裝和驅動方面的挑戰，microLED還面臨一個問題，那就是其原材料和隨後製程的成本相對較高。一個解決方案是轉向更大尺寸的晶圓。氮化鎵通常生長在藍寶石上，這能提供相對高的LED性能，但無法擴展到大於約200毫米的基板區域。最近有大量研究工作致力於在矽基板上生長高性能的氮化鎵microLED，使得300毫米晶圓的製造和加工成為可能。

       LED生長和半導體加工中每單位面積生產效率的成長開啟了一條發展途徑：大幅降低每個LED的成本以推動microLED技術的大眾市場應用。圖4展示了一些以工業規模製造，不同型態與用途的microLED顯示器。

圖4. MicroLED顯示器的不同應用。（a） 在2023年Display Week上，Porotech展示了0.26英寸1280 × 720的單片微顯示器，具備動態像素調整功能，使其能夠顯示全彩畫面而不需要三種不同的子像素 [14]。（圖片由Porotech提供。）（b） Jade Bird Display展示了0.13英寸640 × 480的單色微顯示器。其卓越的亮度在AR和VR應用中具有優勢。該產品榮獲2023年國際資訊顯示學會年度顯示器獎。（圖片由Jade Bird Display提供。）

       雖然microLED顯示器仍處於起步階段，但這項技術的許多技術優勢，如亮度、壽命、色彩品質和設備擴展性等，都已經成功獲得展示。目前的商業挑戰已轉向成本考量以及如何將製程擴大到工業規模，正如任何邁向成熟的技術會歷經的過程。microLED技術的前景光明，我們很快將會在許多顯示器應用中看到microLED的蹤跡，包括AR和VR頭戴設備、智慧手錶和智慧手機。

參考文獻
1.A. Wilcott, “Virtual Boy review,” Micro-64 (1 July 2014).Google Scholar
2.Y. Nanishi, Nat. Photon. 8, 884 (2014). https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.291Google ScholarCrossref OpenURL
3.H. Jiang et al., “Micro-size LED and detector arrays for minidisplay, hyper-bright light emitting diodes, lighting, and UV detector and imaging sensor applications,” US Patent 6,410,940 (25 June 2002).Google Scholar
4.K. Behrman, I. Kymissis, Nat. Electron. 5, 564 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00828-5Google ScholarCrossref OpenURL
5.H. X. Jiang et al., Appl. Phys. Lett. 78, 1303 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1351521Google ScholarCrossref OpenURL
6.J. Day et al., Appl. Phys. Lett. 99, 031116 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3615679Google ScholarCrossref OpenURL
7.V. Kumar, I. Kymissis, Appl. Phys. Rev. 10, 021306 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0125103Google ScholarCrossref OpenURL PubMed
8.A. Pandey et al., Nano Lett. 23, 1680 (2023). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04220Google ScholarCrossref OpenURL PubMed
9.A. Pandey et al., Appl. Phys. Lett. 122, 151103 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0129234Google ScholarCrossref OpenURL
10.B. Karadza et al., Nano Lett. 23, 5490 (2023). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00652Google ScholarCrossref OpenURL PubMed
11.S.-I. Park et al., Science 325, 977 (2009). https://doi.org/10.1126/science.1175690Google ScholarCrossref OpenURL PubMed
12.H.-J. J. Yeh, J. S. Smith, IEEE Photonics Technol. Lett. 6, 706 (1994). https://doi.org/10.1109/68.300169Google ScholarCrossref OpenURL
13.C. J. Hun et al., Appl. Phys. Express 13, 026501 (2020). https://doi.org/10.7567/1882-0786/ab64ffGoogle ScholarCrossref OpenURL
14.T. Zhu, Photonics Spectra, May 2023, p. 38.
15.C. A. Bower et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 29, 2000111 (2023). https://doi.org/10.1109/JSTQE.2022.3211909Google ScholarCrossref OpenURL
16.J.-E. Ryu et al., Adv. Mater. 35, 2204947 (2023). https://doi.org/10.1002/adma.202204947Google ScholarCrossref OpenURL
17.B. R. Tull et al., SID Symp. Dig. Tech. Pap. 46, 375 (2015). https://doi.org/10.1002/sdtp.10256Google ScholarCrossref OpenURL
18.B. G. Levi, Physics Today 67(12), 14 (2014). https://doi.org/10.1063/PT.3.2606Google ScholarCrossref OpenURL
19.A. Lopatka, Physics Today 76(12), 16 (2023). https://doi.org/10.1063/PT.3.5356Google ScholarCrossref OpenURL
20.D. Gammon, D. G. Steel, Physics Today 55(10), 36 (2002). https://doi.org/10.1063/1.1522165Google ScholarCrossref OpenURL

本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Jun. 2024雜誌內 (Physics Today 77 (6), 30–36 (2024); https://doi.org/10.1063/pt.bmot.fjtv)。原文作者：Vikrant Kumar; Keith Behrman; Ioannis Kymissis。中文編譯：林祉均，國立清華大學物理所研究生。

Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates Physics Today (American Institute of Physics) authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Vikrant Kumar; Keith Behrman; Ioannis Kymissis and was published in (Physics Today 77 (6), 30–36 (2024); https://doi.org/10.1063/pt.bmot.fjtv).The article in Mandarin is translated and edited by J.R Lin（National Tsing Hua University）.