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摸索十年的Micro LED商业化，会是条死胡同吗？

晰数塔互联网快讯
2023-03-28 15:00

努力推进Micro LED应用于主流消费电子可能是个“美丽的泡沫”，纸面性能迟迟不能兑现，证明可能存在某些根本性的障碍。另一边，Micro LED应用于VR/AR，进展喜人。

本文来自微信公众号：AR研究媛（ID：ar-supergirl），作者：Jeff，编辑：研究媛，原文标题：《Micro LED商业化进展：JBD和Porotech，我们该信谁？》，题图来自：视觉中国

AR的关键时刻

如果问现今哪款AR眼镜最能勾起普通用户的消费欲，去年12月展示的OPPO Air Glass 2，起码让一众没见过世面的科技媒体印象深刻。它整体重量38g，号称自研的Spark微型光机体积比上一代减小了40%，平均入眼亮度高达1400 nits。VR陀螺在线下体验真机后这样描述：“戴上眼镜外出几乎不会被察觉是一款AR智能眼镜。”

这一代关键改进，在采用了树脂材质光波导镜片和锂镁合金镜框？非也。树脂材质甚至塑料光波导镜片早有中国台湾和韩国厂商推出，材料折射率低光效率不高几乎没人用，它最大的进步在于：负责AR图像光生成、调制、投射的最关键组件光引擎，超乎想象的纤细且强大，这得益于超低功耗+超高亮度+超小体积的JBD单绿色Micro LED面板。

图像来自KGOnTech

来自JBD官方的说法，JBD一直保持着MicroLED微显示器领域关键指标的世界纪录：如400万尼特的绿光亮度，50万尼特的蓝光亮度，AlGaInP基的红光LED亮度最新纪录达到75万尼特。不仅如此，单色光引擎的体积可以做到仅0.3立方厘米，重量轻至1克。

这也是2022年包括小米、李未可、OPPO Air Glass 1/2等光波导眼镜为什么只显示单绿色，只能用于信息提示的原因。因为目前只有绿光Micro LED微显屏实际工程化应用时光电转化效率最高，迈入了成熟的商业化阶段。光引擎使用Micro LED面板，某种意义上是AR眼镜目前最难突破的关键技术。

OPPO Air Glass 2其实证明了一件事，在轻薄体积和虚实融合画质（超高亮度和低延时画面）上，Micro LED技术进展，很大程度上直接决定了AR的未来。

未来不确定性

在谈Micro LED商业化进展前，先讲一个八杆子打不着的人物，或许有些启发。

中国培养的做题家多如牛毛，钻研“技巧”或者说套路已到化境，真正的数学家却凤毛麟角。任职于普林斯顿，可能是1949后中国大陆培养的最杰出数学家许晨阳，代表了一种非典型的中国数学家。

博士毕业后许晨阳在代数几何双有理几何方向研究“停滞”了很长一段时间，直到2010年逐渐声名鹊起。他不像传统中国数学家更擅长繁复冗杂的“技术”，而是构建一种“看待新事物的能力”，瞄着关键点去发力，并且足够精准。

“在我所在的领域，有些问题已经存在了40年，大家都在努力试图解决。这些问题也留在我的脑袋里。我做数学的方式是跟着理论，不是依靠技术去解决一个问题，而是首先发展理论。然后我们就会用一种全新的眼光看见新的东西……”

一个被众人看好的新领域，如果经过足够长时间“技术试错”，依然没有进展，说明新东西的底层并未被完全洞察。

如今，Micro LED因为应用终端和尺寸（像素密度）的不同，衍生出泾渭分明的工艺和技术方向：

图表数据来源于多方资料

一是，高PPI 单片集成工艺（晶圆级键合）的硅基Micro LED微显示屏，AR/VR最理想的光学方案。二是，低PPI 在R、G、B三色LED外延片进行巨量转移的Micro LED屏幕。而基于巨量转移的Micro LED面板一直折磨着众多科技巨头。

Apple 2014年收购LuxVue启动了一场持续至今的Micro LED面板商业化竞速。LuxVue成立于2009年，距今已有十几年，Micro LED技术之艰深一定让苹果公司始料未及：直到2023年，Micro LED仅仅是应用在小尺寸Apple Watch上都没有落地。

知乎上有个垂直技术讨论，《为什么会先量产OLED，而不是看似更好的microLED？巨量转移等技术难点，莫非OLED遇不到吗？》，一个很小众的话题居然有18万多浏览量，排序第一的“范饭爱可乐”击中了某些关键点：

“MicroLED的制作和制作CPU芯片差不多，而且不需要nm级制程，微米的老制程正合适，一个芯片上一般做一个颜色的LED，红绿蓝各做一个。

（Micro LED生长晶圆）这个尺寸直接做AR/VR、hud、波导眼镜什么的可以直接用，性能出色。但是要做显示面板的话，就得一个个地切割下来，检测、焊线，再贴到玻璃基板或者柔性基板上焊接，这一步就是巨量转移，mass transfer。

4K面板，可是要2400多万个LED切割、焊线、粘贴，而液晶的TFT光刻、OLED的蒸镀、印刷，再怎么复杂，也都是整个面板来制作，相比之下，巨量转移这简直是自虐，跟活字印刷与手工抄写的差距差不多。

为此，设备商绞尽脑汁，想了很多办法，但这生产效率可想而知，价格自然也就下不来。据说目前生产一个4K屏需要208小时，而且如果有坏点还要修复替换……”

消费者首次看到商业化Micro LED屏幕，是在2012年1月索尼以样品展示的55英寸“Crystal LED Display”，分辨率1920*1080，面板集成了超过207万个像素，总计约622万个RGB子像素。这意味着600多万个LED芯片实现了“巨量转移”、连接驱动背板，其复杂程度、良品率、成本可想而知。

此后四年索尼Crystal LED Display 几乎没有任何消息。在经历了2016年、2018年两轮迭代发布后，2019年索尼欧洲的分销商AWE组织提供索尼“Crystal LED Display”正式售卖参考价格：

146英寸微型LED显示屏价格35万欧元（274万元）

182英寸50万欧元（391万元）

219英寸70万欧元（548万元）

另一边，2018年三星在CES First Look活动上，推出了“The Wall”146寸Micro LED电视，售价超百万。两款Micro LED成品均选择了大尺寸电视，售价高得不可思议。这并非巧合。

2012年索尼Micro LED电视的色彩表现、明暗解析、对比度根本没有任何产品能够相提并论。这项技术的索尼产品很贵，并且由于产能非常低，当时基本上没有大批量商业化的可能。

基于巨量转移的Micro LED面板可以取代OLED、LCD，成为绝大多数消费电子最理想的终极屏幕。但在一个方向长时间尝试、不断撞墙，持续消耗心血，却始终不能突破的时候，你自然而然会思考：这是不是一条死路？

Micro LED可能存在某种本质层面无法克服的阻碍。基于巨量转移的Micro LED能做出来，但成本根本不可能下降。

百万级、千万级LED晶粒巨量转移并且连接目标背板驱动电路，前所未有的良率要求，技术进步真能让成本下降？还有，索尼和三星将Micro LED真正落地商业化，都恰巧选择大尺寸显示（电视）可能还有一个被忽视的原因，发热。

Micro LED实际工程化的麻烦，巨量转移可能仅仅只是第一道关卡。

悲观之后还是悲观？

苹果收购LuxVue近10年进展有限，索尼持续迭代Crystal LED Display ，三星推出天价The Wall都指向一个事实：Micro LED应用于主流消费电子和显示面板技术，如果基于巨量转移技术，工艺再怎么推陈出新，成本可能都无法显著下降。

巨量转移仅仅是Micro LED大规模商业化最前面的那只大老虎。而如果绕开巨量转移使用单片集成工艺，最适合AR/VR的超高PPI微显屏，依然还有一群小老虎在前面，而且“小老虎”甚至会影响到Micro LED核心根本优势——低功耗高亮度，无法真正实现。

图文资料来自AR研究媛收集整理

1.Micro-LED侧壁效应

传统LED面积比较大，其具有数十微米的边缘侧壁，侧壁效应并不重要。但随着Micro-LED尺寸越来越小，侧壁效应显著，光效率陡然下降。

比如传统蓝色LED的EQE可以达到80%；在实际操作中，如果这种蓝色LED的尺寸缩减到5~10μm，则EQE将≤20%；而且因为侧壁缺陷效应（sidewall defects effect）的存在，现阶段Micro LED实际的功耗表现未达理论预期，甚至差于OLED/LCD。

2.红光LED的材料选择，亮度、色彩问题

当前，蓝光、绿光LED是在蓝宝石（Al2O3）、碳化硅（SiC）或硅（Si）衬底上生长InGaN等三元材料，红光LED多是在GaAs衬底上生长AlGaInP四元材料。

不同于蓝光和绿光LED，四元材料的AlGaInP红光Micro LED尺寸减小导致缺陷密度增加、侧壁效应等问题更严重，效率下降更明显，且非常容易受到热量影响（驱动电流增大）而发生效率及波长的变化。

换句话说，现有AlGaInP的红光LED不仅很暗、亮度低，颜色也很难精准控制（波峰漂移），特别是驱动电流改变的情况下。

3. Micro LED全彩显示

除了耳熟能详的垂直堆叠像素、棱镜合色、量子点转色这些工程化的取巧办法，如果能从原生材料层面实现单片全彩Micro LED，相比目前巨量转移或者单色LED晶圆键合，那简直不要省事太多。

首先是发光材料统一，InGaN材料具有宽带隙可调、机械稳定性高及空穴扩散长度较短等优点，并且能与InGaN蓝光和绿光LED兼容，近几年来在MicroLED领域已获得广泛的关注，全球多股力量开始积极研究InGaN基材料在MicroLED领域的应用。

Plessy曾宣称，通过使用专有的应变设计的有源区来制造高效的InGaN Red LED，显示的红光波峰集中，色显纯正，并且在超小像素间距中，其效率高于传统的AlInGaP和颜色转换的红光。

Soft-EPi成功基于GaN（在蓝宝石衬底上沉积的GaN）制造出红光LED，并采用同样的方法在蓝宝石衬底上开发出蓝光LED和绿光LED，引起业界广泛关注。而且Soft-EPi已成功将红光和绿光LED集成在同一晶圆上，并计划集成蓝光LED。但红色GaN外延片的效率依然很难看。

还有，国外影响力颇大的AR光学博主Karl Cuttag在今年年初专门写了一篇文章吹捧Porotech，因为这家公司，实现了目前为止他所能看到的红色、绿色和蓝色最高效的LED。

CES 2023大会的0.26英寸1280x720p、3.5um像素的手持拍照照片（没有完全对焦）。Porotech测量为蓝色为70万尼特，绿色为300万尼特，红色为70万尼特。

Porotech以多孔GaN材料来实现光效率提升，开发的DPT技术（所谓动态像素调整），来实现单LED芯片全光谱显示。这意味着，同分辨率下，需要的LED数量只有原来三分之一，像素连接驱动的触点少了三分之二，分辨率能更高、制造难度又下降、光效率又独一无二，还轻轻松松实现了全彩显示。但难就难在——驱动——按照Karl Cuttag的原话：

对于Porotech的LED，你必须同时控制电流和脉冲宽度。这意味着驱动硅背板将更加复杂和难以开发。但我非常喜欢的是，Porotech正在解决根本问题，并将复杂性转移到一个最终会解决的“领域”。

但比较有趣的是，对于InGaN基红光Micro LED的可行性，JBD是这样指出的：

透过和业内知名外延厂商合作，例如Porotech，再结合多年积累的Micro LED芯片技术，试图验证InGaN基红光Micro LED的可行性，但研究结果证实，InGaN基红光Micro LED微显示屏的亮度只能达几百尼特，离客户应用要求差3个数量级，材料也存在严重的可靠性、颜色均匀性、色彩稳定性等问题。对此，JBD认为红光InGaN外延及芯片存在短期内无法解决的基本物理问题，放弃该技术方向作为产品应用的可能。

JBD不仅把Porotech合作后的进展描绘成“差三个数量级的红光LED亮度”，被众人看好的能实现蓝、绿、红光LED材料一统的InGaN，也是Porotech的LED材料方向，JDB居然嗤之以鼻，明确说已放弃尝试。JBD还是坚持在传统AlGaInP材料上实现红光效率突破。

目前在硅基Micro LED商业化进展事实上领先全球的JBD，说这话确实有底气。

牛X闪闪的JBD，红光LED面板亮度从50万尼特提升到75万尼特，同分辨率下把体积做小，像素间距居然还能再缩小。传言中下半年要上的0.4cc RGB三面板棱镜合色Micro LED全彩光引擎，是不是真能做到高像素密度、小体积、高亮度，并且顺利量产，我们暂且等待。

本文来自微信公众号：AR研究媛（ID：ar-supergirl），作者：Jeff，编辑：研究媛