マイクロ LED の歴史と現在の開発の概要

 

LEDinside の最新の調査結果によると、マイクロ LED は 2018 年までに量産される予定です。LEDLEDinside は、技術を総合的に捉え、市場の可能性を引き出すために、LEDinside の歴史、現状、理論、製造プロセス、関連メーカーを整理しました。

歴史

マイクロ LED の歴史は、1990 年代に TFT-LCD の開発が始まったときの、TFT-LCD ディスプレイ バックライト モジュール アプリケーションの開発にまで遡ることができます。 LED は彩度が高く、エネルギー効率が高く、薄いという特徴があるため、一部のメーカーは LED をバックライト光源として使用しました。しかし、明らかにコストが高く、放熱性が悪く、光電変換効率が低いなどの理由から、TFT-LCD 製品には広く適用されませんでした。

白色 LED チップ技術が成熟したのは 2000 年になってからであり、蛍光体粉末でコーティングされた青色 LED が電気で励起されて白色光を放射します。 2008 年までに、白色 LED バックライト モジュールは急激に成長し、短期間で CCFL に完全に取って代わりました。主要なアプリケーション分野には、スマートフォン、タブレット、ノートブック、卓上モニター、テレビなどが含まれます。

しかし、TFT-LCD は非自発光特性と理論によって制限され、オープンセル透過率が 7% を下回り、TFT-LCD の光電変換効率が低くなります。さらに、白色 LED の彩度性能は RGB LED よりもはるかに低いため、ほとんどの TFT-LCD 製品の NTSC は 72% のみです。さらに、屋外環境では、TFT-LCD の大きな欠点は、輝度が 1,000 nits 以上に達せず、画質と色認識の低下を引き起こすことです。その他のソリューションと開発には、RGB LED を自発光ピクセル マイクロ LED ディスプレイとして使用することが含まれます。

現状

LED の成熟と進化に伴い、2010 年現在、マイクロ LED ディスプレイが全く新しい形で登場しています。

開発の歴史を振り返ると、ソニーは 2012 年にフル HD 解像度を利用した新しいマイクロ LED ディスプレイ技術である 55 インチの「クリスタル LED ディスプレイ」を発売しました。ディスプレイには約 622 万個のマイクロ LED (式: 1920 x 1080 x 3) が高解像度ディスプレイに使用されており、コントラスト比は 100 万対 1 に達し、彩度は 140% NTSC です。このディスプレイには反応時間や寿命の問題もありませんが、ディスプレイに埋め込まれた単一のマイクロ LED を使用しているため、製品が商品化され大量生産されるまでには、まだ多くのコストと技術的障壁を克服する必要があります。

理論的には、マイクロ LED はさまざまなサイズのディスプレイに適用できますが、製造プロセスと歩留まりはディスプレイ解像度の要求と負の相関関係があります。したがって、この製品は、OLEDと比較してサイズが小さく、歩留まりが高く、屋外環境での輝度が高いため、ウェアラブルデバイスなどの小型ディスプレイ用途に最初に導入されています。さらに、エネルギー消費も低いです。

基板とエピウェーハ層を含む平均的な LED チップのサイズは約 100 ～ 500 ミクロン (μm) ですが、高度なマイクロ LED ディスプレイ研究では現在、機械的または化学的プロセスによって厚さ 4 ～ 5 μm の LED 表面を除去してチップを IC 基板上に転写することに焦点が当てられています。

マイクロ LED ディスプレイは、TFT-LCD と LED テクノロジーの機能を組み合わせたもので、材料、製造プロセス、および装置開発の点で OLED テクノロジーよりも成熟したテクノロジーです。さらに、マイクロ LED の製品仕様は TFT-LCD や OLED よりもはるかに高度で、柔軟性、透明ディスプレイなどの幅広いアプリケーションをカバーしており、より実現可能な次世代ディスプレイ技術です。

2010 年以降、メーカーは統合と研究開発を通じてマイクロ LED ディスプレイ技術の開発に積極的に取り組んできました。しかし、マイクロ LED ディスプレイには標準化されたマイクロ LED 構造がなく、メーカーは量産、ドライバー IC 設計の最前線で競争し、特許戦略を積極的に展開しています。

2016 年の時点で、マイクロ LED の特許出願をリードしているメーカーには、Apple 系列の Luxvue、Mikro Mesa、Sony、Leti などが含まれます。関連技術の開発に投資している企業や研究センターも数多くあります。

大手開発メーカー・メーカー

（LEDinside主催）

理論

理論上、マイクロ LED ディスプレイは、LED 構造をより薄く、より小さく、アレイ構造にしています。個々のマイクロ LED は通常 1 ～ 10 μm の範囲にあり、IC 基板上に大量に転写されます。基板は、硬くても、柔軟でも、透明でも、まったく透明でもありません。物理蒸着を使用して保護層を完成させ、上部電極を形成することにより、単純な構造のマイクロ LED ディスプレイにパッケージ化できます。

ディスプレイはどのように製造するのですか? LED チップの表面は、各ピクセルを個別に制御して明るさを制御できるアレイ構造に配置する必要があります。相補型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) がアクティブ マイクロ LED 構造の主要なフレームワークになり、マイクロ LED チップ アレイと CMOS がパッケージ技術を使用できるようになります。

パッシブマイクロ LED 構造はマイクロ LED を接着し、マイクロレンズアレイは LED の輝度とコントラストを向上させることができます。

マイクロLED構造。

マイクロLED構造

古典的なマイクロ LED 構造は、ダイレクト バンドギャップ半導体材料で作られた PN 接合ダイオード チューブです。マイクロ LED が順バイアスされると、半導体伝導帯からの電子が価電子帯からの正孔と再結合して、単色色の光を発する光子を放出します。一般に、マイクロ LED の最大半値全幅 (FWHM) 線幅は 20 nm で、120% NTSC を超える高い彩度を提供できます。

2008 年以降、LED の光電効率は 100 lm/W 以上に大幅に向上し、量産要件に達しました。したがって、マイクロLEDディスプレイは、ディスプレイの自発光特性と光の損失を引き起こさないシンプルな構造により、低エネルギー消費と高輝度設計を容易に実現できます。

これにより、ディスプレイ アプリケーションにおける 2 つの主要な問題を解決できます。1 つ目は、ディスプレイのエネルギー消費が 80% に達するウェアラブル、スマートフォン、タブレット機器の問題です。より低いエネルギー消費を使用するディスプレイ技術はバッテリーの寿命を延ばす可能性がありますが、特定の環境の強い光の下ではディスプレイがぎらつき、解像度が低下する可能性がありますが、ディスプレイの輝度を高める技術はより幅広い製品に適用できます。

（LEDinside主催）

製造方法と技術開発

半導体チップの加工における微細化は極限に達していますが、微細化にはまだ大きな成長の余地があります。マイクロLEDの主な製造方法は3つあり、チップボンディング、ウェハボンディング、薄膜転写に分類できます。

それぞれの製造工程の利点と、製造工程に携わる企業についてご紹介します。

チップボンディング

LED をマイクロサイズのマイクロ LED チップ (エピウェーハ フィルムと基板を含む) に分割するか、SMT および COB テクノロジーを使用することにより、マイクロ LED チップをディスプレイ基板上に 1 つずつ接着できます。

ウェーハボンディング

LED EPI ウェハ フィルムは、誘導結合プラズマ (ICP) エッチャーを使用してマイクロ グレードのマイクロ LED EPI ウェハ フィルム構造を形成します。この構造が固まると、ディスプレイ ピッチになります。 EPI ウェハと基板を含む LED ウェハが IC 基板に直接接合されると、メーカーは機械的または化学的処理を使用して基板を剥がし、IC ドライバ基板上の表示ピクセルを構成する厚さ 4 ～ 5 ミクロンのマイクロ LED EPI ウェハ フィルム構造を残します。

薄膜転写

機械的または化学的方法を使用して LED 基板を剥がし、一時的な LED EPI ウェーハと置き換えて、マイクロ LED EPI ウェーハ構造を形成します。別の方法では、誘導結合プラズマ (ICP) エッチャーを使用してマイクロ LED EPI ウェハー構造を形成し、その後機械的または化学的方法を使用して基板を除去し、一時的に別の薄膜に置き換えます。

最後に、ドライバー IC 基板上に必要なディスプレイ ピッチでは、選択的転写治具を使用してマイクロ LED EPI ウェハ薄膜構造を大量転写し、基板上に接着してディスプレイ ピクセルを形成します。

結論

マイクロ LED ディスプレイは多額の研究開発資金が投入され、大手企業から注目され、そのスペックは LCD を上回り、OLED の画質に匹敵しますが、現段階ではマイクロ LED ディスプレイはまだ一般的ではありません。次の 3 つの大きな障壁があります。

1)チップボンディング

すでに成熟した LED ストリップ ライトの製造プロセスを例に挙げると、特にディスプレイに数百万個の LED を埋め込む LED ライト ストリップに欠陥や問題がある場合は、非常に困難な技術です。一方、LCD と OLED は異なる段階を経て製造されており、歩留まりのパフォーマンスが優れています。

2)LED部品への接着.

LED フリップチップは、サイズが小さく、金属ボンディング ワイヤを必要としない小型化プロセスのため、マイクロ LED ディスプレイの製造に適しています。また、フリップチップの歩留まりにはまだ一定の問題があるものの、LED間のギャップを減らすこともできますが、この技術はより包括的になりつつあり、多額の資金も投入されています。それも着実に改善されています。

3) マイクロ LED の物質移動。

将来的には、マイクロ LED ディスプレイで最も困難なプロセスは、埋め込み LED プロセスで大量生産方法が使用されることになるでしょう。特に RGB LED は、単色アプリケーションではさらに困難になります。しかし、将来的には、LED 接着剤と印刷技術が進歩するにつれて、マイクロ LED ディスプレイが量産段階に入ることが有益になるでしょう。

キーワード

マイクロレッド;テクノロジー;

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