一文看懂微顯示技術(shù)MicroLED、硅基OLED、LCOS、LCD、DLP

    微顯示器是具有微型屏幕尺寸和分率的小型化顯示單元，又稱為微型平面顯示面板。通常指對角線尺寸小于1英寸(2.54厘米)的顯示器，常被用于光學(xué)引中，其生成的圖像作為光學(xué)系統(tǒng)圖像的來源。它們的小尺寸使其可以用于需要占用較小空間的屏幕的各種應(yīng)用中，例如頭戴式顯示器和數(shù)碼相機(jī)。它們還廣泛用于背投電視和數(shù)據(jù)投影儀中。

    微顯示器可以通過一系列顯示技術(shù)制造，主流技術(shù)包括:硅基液晶(LCOS)、液晶顯示器(LCD)、數(shù)字微鏡器件(DMD)、數(shù)字光處理(DLP)、硅基OLED( OLEDOS)、Micro LED等。主流顯示器技術(shù)比較

     數(shù)據(jù)來源: Sigmaintell， Oedia，語、新通訊、廣發(fā)證券發(fā)展研究中心（備注：硅基OLED國內(nèi)廠家還有京東方、湖畔、夢顯等等，上述表格列出僅供參考）

    (一)硅基液晶技術(shù)(LCOS)

    硅基液晶LCOS( Liquid Crystal on Silicon)是LCD與CMOS集成電路有機(jī)結(jié)合的反射型新型顯示技術(shù)。其結(jié)構(gòu)是在硅片上，利用半導(dǎo)體制程制作驅(qū)動(dòng)面板，然后在電晶體上透過研磨技術(shù)磨平，并鍍上鋁當(dāng)作反射鏡，形成CMOS基板，然后將CMOS基板與TO導(dǎo)電玻璃上基板貼合，再注入液晶，進(jìn)行封裝測試。

圖2:LCOS結(jié)構(gòu)  數(shù)據(jù)來源: Ofweek，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心

    LCOS技術(shù)利用的是液晶分子自身的雙折射特性，藉由電路的開關(guān)以推動(dòng)液晶分子的旋轉(zhuǎn)，對入射光線的偏振進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)液晶層像素的外加電壓為零時(shí)，入射的S偏振光經(jīng)過液晶層，其偏正方向不產(chǎn)生擔(dān)轉(zhuǎn)，達(dá)到底部金屬反射層反射回來時(shí)仍為S偏振光，穿過液晶層射出。隨后經(jīng)過PBS棱鏡反射回到原來光路，在這種情況下，光線不進(jìn)入投影光路，沒有光輸出，即此像素呈現(xiàn)“暗態(tài)”。反之，當(dāng)像素存在外加電壓時(shí)，入射的S偏振光在經(jīng)過液晶層時(shí)，偏振方向?qū)�發(fā)生偏振，當(dāng)其經(jīng)金屬反射層反射，再出穿過液晶層時(shí)將變?yōu)镻偏振光。這東P偏振光在穿過PBS棱鏡是，將進(jìn)入投影光路，在屏幕上顯示成像，即呈現(xiàn)“亮態(tài)”。施加在像素兩端電壓的大小將影響液晶分子的光通性能，進(jìn)而決定該像素的顯示灰階。

三片式LCOS投影原理 數(shù)據(jù)來源:我愛原理網(wǎng)，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心

    LCOS面板最大的特色在于下基板的材質(zhì)是單晶硅，因此擁有良好的電子移動(dòng)率而且單晶硅可形成較細(xì)的線路。其次，LCOS為反射式技術(shù)，不會(huì)像 HTPS LCD光學(xué)引擎會(huì)因?yàn)楣饩�穿透面板而大幅降低光利用率，因此光利率率可提高至40％，與穿透式的 HTPS LCD的3％相較，可減少耗電，并可產(chǎn)生較高的亮度。最后，其成本較低。LCOS光學(xué)引擎因?yàn)楫a(chǎn)品零件簡單，可利用目前廣泛使用、便宜的CMOS制作技術(shù)來生產(chǎn)，需額外的投資，因此具有低成本的優(yōu)勢。并可隨半導(dǎo)體制程快速的微細(xì)化，逐步提高解析度。

    (二)液晶顯示器技術(shù)(LCD)

    LCD( Liquid Crystal Display)即液晶顯示器，其構(gòu)造是在兩片平行的玻璃基板當(dāng)中放置液晶體，下基板玻璃上設(shè)置TFT(薄膜體管)，上基板玻璃上設(shè)置彩色濾光片，通過TFT上的信號(hào)與電壓改變來控制液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而達(dá)到控制每個(gè)像素點(diǎn)偏振光出射與否而達(dá)到顯示目的。

圖4:LCD結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)來源: bbsmax，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心

    LCD技術(shù)最大的優(yōu)勢是其制造工藝十分成熟，成本較低，并且使用壽命較長。然而LCD通常用穿透式投射的方式，光利用效率低，解析度不易提高。并且LCD在顯示黑色時(shí)無法關(guān)閉背光源，而是通過液晶分子阻擋光線，因此會(huì)表現(xiàn)出一種灰白色這一特點(diǎn)也導(dǎo)致了LCD對比度低的劣勢。

    （三) 數(shù)字光處理技術(shù)(DLP）

    數(shù)字光處理DLP( Digital Light Processing)投影系統(tǒng)的核心是數(shù)字微設(shè)備芯片DMD( Digital Micromirror Device)。DMD是一塊通常有多達(dá)130萬個(gè)鉸接安裝的米級(jí)微鏡組成的矩形陣列，一個(gè)微鏡對應(yīng)一個(gè)像素。DMD面上的微鏡安裝在極小的鏈上，在DLP投影系統(tǒng)中，微鏡向光源傾時(shí)，光反射到鏡頭上，相當(dāng)于光開關(guān)的“開狀態(tài)。當(dāng)微鏡向光源反方向傾斜時(shí)，光反射不到鏡頭上，相當(dāng)于光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)。鏡每秒“開”或“關(guān)”幾千次，當(dāng)微鏡開的次數(shù)比“關(guān)”的次數(shù)多時(shí)，反射得到的是一個(gè)有灰度級(jí)的亮像素，反之，反射得到的是一個(gè)有灰度級(jí)的較暗像素。

圖5:DMD結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)來源:德州儀器，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心

圖6:DLP投影技術(shù)原理 數(shù)據(jù)來源:德州儀器，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心

    DLP由于以鏡片為基礎(chǔ)，提高了光通效率，因此DLP投影系統(tǒng)比所有其他顯示系統(tǒng)具有更強(qiáng)的亮度。然而，由于其設(shè)計(jì)難度大、生產(chǎn)成本高、體積大等劣勢，目前主要使用于投影機(jī)市場。

    (四)硅基OLED( OLEDos）

    硅基OLED微型顯示器是結(jié)合CMOS工藝和OLED技術(shù)，以單晶硅作為有源驅(qū)動(dòng)背板而制作的主動(dòng)式有機(jī)發(fā)光二極管顯示器件。硅基OLED器件結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)背板和OLED器件兩個(gè)部分。驅(qū)動(dòng)背板應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制作，形成硅基OLED微顯需要的像素電路、行列驅(qū)動(dòng)電路以及其他的功能電路。在CMOS電路的頂層金屬中通常制作高反射的金屬，作為OLED器件的陽極。OLED器件部分通常包括空穴注入層空穴傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層、電子注入層、半透明的頂電極。在頂電極上制作薄膜封裝層，用于阻隔水氧，接著旋涂透明貼合膠層，貼合玻璃進(jìn)行器件強(qiáng)度保護(hù)。

    圖7:硅基OLED結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)來源: Semantic Scholar，廣發(fā)證券發(fā)展研究中心

    硅基OLED采用成熟的集成電路CMOS工藝，并結(jié)合了OLED快速響應(yīng)、大視角、低功耗等突出優(yōu)點(diǎn)，不但實(shí)現(xiàn)顯示屏像素的有源尋址矩陣，還實(shí)現(xiàn)了如SRAM存儲(chǔ)器TCON等多種功能的驅(qū)動(dòng)控制電路，減少了器件的外部連線，増加了可靠性，實(shí)現(xiàn)了輕量化，像素尺寸為傳統(tǒng)顯示器件的1/10，精細(xì)度高于傳統(tǒng)器件。但是硅基OLED亮度低、制造成本高，目前多使用于VR顯示以及AR顯示。

    與LCOS相比硅基OLED 亦具有不少優(yōu)點(diǎn)：

    1 ) 低功耗，比 LCD 功耗小 20%，電池重量可以更輕。

    2) 工作溫度寬，LCD 不能在極端溫度如 0℃下工作，必須額外加熱元件，而在高溫下又必 須使用冷卻系統(tǒng)，所有這些解決方案都會(huì)增加整個(gè)顯示器的重量、體積和功耗。而 OLED 為全固態(tài)器件，不需要加熱和冷卻就可以工作在-46℃~+70℃的溫度范圍內(nèi)。

    3 ) 高對比度，LCD 使用內(nèi)置背光源，其對比度為 60:1，而 OLED 微顯示器的對比度可以 達(dá)到 10,000:1。

    4) 響應(yīng)速度快，OLED 像素更新所需時(shí)間小于 1μs，而 LCD 的更新時(shí)間通常為 10~15ms， 相差了 1,000 到 1,500 倍，OLED 的顯示畫面更流暢從而減小視疲勞。從未來市場角度來看：2021 年全球硅基OLED 在中國產(chǎn)商推波助瀾下開始放量，預(yù)計(jì) 2021-2027 年出貨量實(shí)現(xiàn) CAGR 65.21% 的增長。

    硅基OLED 工藝制程

    硅基OLED 是 CMOS 技術(shù)與 OLED 技術(shù)的緊密結(jié)合，是無機(jī)半導(dǎo)體材料與有機(jī)半導(dǎo)體材 料的高度融合。CMOS 技術(shù)主要使用光刻工藝、CMP 工藝等，濕法制成較多，而 OLED 技 術(shù)則主要采用真空蒸鍍技術(shù)工藝，以干法制程為主。兩者皆專業(yè)且復(fù)雜，將兩者集成于同 一器件之中，對于工藝技術(shù)要求非常嚴(yán)苛。

    硅基OLED 器件制造主要通過以下四個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：

    1)硅基 IC 設(shè)計(jì)與制造：主要涉及集成電路的設(shè)計(jì)和制造，分別由 IC 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和 foundry 廠完成；

    2）OLED 制程：主要包括 OLED 微腔頂發(fā)射技術(shù)，陽極材料技術(shù)，全彩化技術(shù)等；

    3）OLED 封裝制程：包括薄膜封裝，玻璃 cover 貼合封裝等；

    4）顯示驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)：與第一部分設(shè)計(jì)制造緊密相連。

    硅基 OLED 微顯示器傳統(tǒng)制程。a 為器件結(jié)構(gòu)截面示意圖，b 是制造流程。其 中流程 1~7 為大片制造。從流程 8 切割后，即為 dice 制造流程。流程 1 為硅基芯片的制 造過程，由集成電路晶圓代工廠按照客戶的設(shè)計(jì)和要求進(jìn)行生產(chǎn)制造；流程 2~7 為 OLED 的制造流程，在 OLED 工藝代工廠制作完成。其中，流程 2 和 3 為像素陽極的制備過程， 包括陽極材料的成膜及其圖案化，涉及較多濕法制程。在傳統(tǒng)的硅基 OLED 微顯示器制造 工藝中，該制程由 OLED 工廠來制作完成；流程 8~9 由集成電路芯片封裝廠完成；流程 10 為模組與系統(tǒng)開發(fā)，將硅基 OLED 制作成微顯示器模組供用戶使用。

    硅基OLED 制造設(shè)備涉及微電子和光電子制造設(shè)備。其中陽極制造需要金屬濺射成膜設(shè) 備，陽極圖案化則涉及晶圓清洗設(shè)備、光刻膠涂覆設(shè)備、曝光設(shè)備、顯影去膠設(shè)備、烘烤 等設(shè)備，這些均屬半導(dǎo)體設(shè)備。OLED 制程段則需要 OLED 蒸鍍設(shè)備、薄膜封裝設(shè)備以及 玻璃貼合封裝設(shè)備等，這些設(shè)備集成為一套系統(tǒng)，在一系列真空和惰性氣體氣氛內(nèi)完成。

    硅基OLED 器件結(jié)構(gòu)

    硅基OLED 顯示器件以單晶硅作為襯底，在單晶硅襯底上采用標(biāo) 準(zhǔn)的 CMOS 工藝制作顯示驅(qū)動(dòng)電路，以提供 OLED 顯示所需的像素驅(qū)動(dòng)部分、行列驅(qū)動(dòng)部 分以及其它所需的 DAC 轉(zhuǎn)換等功能電路。在單晶硅襯底上接著制作 OLED 發(fā)光單元，由于 硅片襯底不透明，需要制作頂發(fā)射 OLED 器件。首先在襯底上，制作高反射率的金屬作為 陽極，陽極電極具有較高的反射率可以實(shí)現(xiàn)較高的出光效率。接著制作空穴注入層、空穴 傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層、電子注入層等有機(jī)半導(dǎo)體層，形成 OLED 主體發(fā)光單元。最后，為了實(shí)現(xiàn)光從頂部出射，需要制作半透明的金屬層作為陰極。由于ＯLED 器件怕水 氧等破壞，在陰極上需要制作薄膜封裝層，用于阻隔水氧，在封裝層上，進(jìn)一步貼合玻璃 進(jìn)行器件強(qiáng)度保護(hù)。

    驅(qū)動(dòng)芯片架構(gòu)：驅(qū)動(dòng)芯片采用 0.18μｍ的 CMOS 工藝設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)背板包括像素電路、行列 驅(qū)動(dòng)、DAC、I2C、數(shù)據(jù)處理、電源模塊、溫度檢測等功能模塊。芯片采用 數(shù)字接口，針對高分辨率的應(yīng)用要求，利用數(shù)據(jù)采樣與比較完成數(shù)據(jù)傳輸，驅(qū)動(dòng)芯片像素 采用電壓型驅(qū)動(dòng)方式。由于 OLED 器件在不同的溫度條件下，器件亮度變化較大，因此在 芯片中集成了溫度傳感模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測芯片工作溫度，實(shí)現(xiàn)芯片在高低溫下精確調(diào)節(jié) 電壓輸出，來調(diào)節(jié)器件的顯示亮度，保持器件顯示的穩(wěn)定和一致。硅基 OLED 器件包括控 制電路芯片部分和顯示驅(qū)動(dòng)芯片部分，為了方便用戶使用芯片，在驅(qū)動(dòng)芯片中集成了三路 電源模塊，包括正壓 DC-DC 模塊、負(fù)壓 DC-DC 模塊和 LDO 模塊。這三路電源模塊，可 分別實(shí)現(xiàn)給像素整列、OLED 顯示的公共陰極和芯片中的控制電路供電。

    (五) Micro LED

    Micro LED即LED微縮技術(shù)，是指將傳統(tǒng)LED陣列化、徽縮化后定址巨量轉(zhuǎn)移到電路基板上，形成超小間距LED，將毫米級(jí)別的LED長度進(jìn)一步微縮到微米級(jí)，以達(dá)到超高像素、超高解析率。

圖8: Micro LED技術(shù) 數(shù)據(jù)來源:Sigmaintell

    Micro LED被視為下一代微顯示器技術(shù)、 Micro LED顯示器不需要大面積的基板進(jìn)行光刻或蒸發(fā)，也不需要一個(gè)復(fù)雜的過程來轉(zhuǎn)換顏色和防止亮度降低。從理論上講， Micro LED可以很簡單，成本更低，畫面性能更高。雖然Micro LED成為顯示界的當(dāng)紅辣子雞，但是其商業(yè)化進(jìn)程還是比較緩慢。

    最關(guān)鍵的是，Micro LED 顯示器模塊的制造工藝尚未實(shí)現(xiàn)類似于 LCD 或 OLED 的標(biāo)準(zhǔn)化，并且每個(gè)制造商都在開發(fā)自己的獨(dú)特工藝和產(chǎn)品技術(shù)。這使 Micro LED 顯示器制造工藝復(fù)雜、品種繁多。

    此外，設(shè)備和工具都是定制的，成本很高。同時(shí)，參與制造工藝的公司很多，包括 Micro LED 外延片制造商、PCB/LTPS 制造商、批量轉(zhuǎn)移制造商、驅(qū)動(dòng)器集成電路（IC）制造商、機(jī)柜組裝制造商、模塊化制造商和OEM/ODM制造商。涉及的制造商越多，轉(zhuǎn)型成本就越高。

    換句話說，Micro LED 顯示器的高成本是由以下四個(gè)因素造成的：

    復(fù)雜的生產(chǎn)工藝

    工藝和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度低

    多個(gè)供應(yīng)鏈參與者

    良品率管理和產(chǎn)量不成熟、不穩(wěn)定

    Micro LED 顯示器模塊工藝可以按照以下步驟排序：

    Micro LED 部件

    外延片的硅晶錠

    Micro LED芯片分割

    中介層上的倒裝芯片 Micro LED

    背板和批量轉(zhuǎn)移

    LTPS/PCB 背板

    批量轉(zhuǎn)移 （從中介層上的Micro LED到背板 ）

    Micro LED 芯片檢修

    模塊化

    IC 鍵合

    模塊組裝

    檢修

圖 5：Micro LED 顯示器模塊制造工藝

來源：Omdia，三星 ─ 照片由 Park Ken/Omdia 在 2020 年 1 月內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯的“2020 年消費(fèi)電子展(CES)”拍攝

    這些工藝存在四個(gè)主要的挑戰(zhàn)和技術(shù)問題：

    Micro LED 芯片和結(jié)構(gòu)：Micro LED 芯片結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)LED更為復(fù)雜。

    背板：TFT 背板設(shè)計(jì)比一般的TFT更為復(fù)雜。

    批量轉(zhuǎn)移工藝：存在許多可選的批量轉(zhuǎn)移工藝，例如靜電轉(zhuǎn)移、電磁轉(zhuǎn)移、激光轉(zhuǎn)移、印模轉(zhuǎn)移、整體轉(zhuǎn)移、射流轉(zhuǎn)移、逐一固晶轉(zhuǎn)移和可拉伸巨量轉(zhuǎn)移，每一種都有其優(yōu)缺點(diǎn)。

    檢修：如有必要，需要對每個(gè) Micro LED 芯片組進(jìn)行檢修。因?yàn)橛袛?shù)百萬甚至數(shù)千萬個(gè)亞像素，即使良品率達(dá)到 99.99%，仍需修復(fù)存在缺陷的 Micro LED 芯片組。檢修非常耗時(shí)。

圖 6：Micro LED 制造挑戰(zhàn)和技術(shù)問題