Micro-LED有望促使显示屏向轻薄化、小型化、低功耗、高亮度方向发展,被誉为“下一代第三代半导体技术创新中心(苏州)、江苏第三代半导体研究院与智慧芽联合发布《2023 Micro-LED产业技术洞察白皮书》(以下简称“白皮书”)。白皮书从技术研发视角出发,全面分析了Micro-LED产业的竞争环境、重点技术、代表企业等情况。

中国科学院院士、国家第三代半导体技术创新中心(苏州)主任郝跃在发布会致辞中表示:“现今,我国正在大力实施创新驱动发展战略,中国科技正向着价值链的上游攀升。Micro-LED作为LED发展新赛道,市场增幅和市场潜力巨大。白皮书经过课题研究组半年多时间的梳理、分析、总结,致力于填补Micro-LED产业分析中市场技术专利的研究空白,为企业的专利构思与布局提供支撑,帮助企业和研究机构预测技术和产品的创新点,减少科研的盲目性和重复性,同时强化产业链企业间的协同合作,为政府的技术创新与产业发展决策提供相关参考。”

白皮书显示:Micro-LED产业呈现出市场潜力大、技术储备丰富、创新研发热度高涨的特征,全球该领域的专利申请已超过4万件,正处于爆发式增长期;从创新主体来看,中国头部企业与国际龙头齐头并进,在专利申请量Top 15企业中,中国企业已占一半以上;从技术上看,Micro-LED产业化的关键技术难题主要集中于外延&芯片结构、巨量转移、全彩显示和显示驱动上,上述技术正在加速攻坚进程;此外,白皮书着重从企业维度进行纵向深度研究,解析了包括三星、苹果在内的多家头部企业在各细分领域的技术演进路线。

从技术创新的维度看,根据智慧芽数据显示,截至2022年6月,Micro-LED全球专利储备已超过4万件,技术储备丰富;且从2017年开始,Micro-LED技术研发活跃度明显上升,目前正处于爆发式增长期。

Micro-LED是在一个芯片上集成高密度微小尺寸的LED阵列。相较于现已大规模量产的LCD技术和OLED技术,Micro-LED的性能优势显著:长寿命、高对比度、可实现高分辨率、响应速度快、更广的视角效果、丰富的色彩、超高的亮度和更低的功耗等。

目前Micro-LED芯片已在眼镜、电视等显示场景实现产品化,但大部分产品还处于概念阶段,未实现大规模市场推广。随着Micro-LED相关的红光芯片、转移、全彩显示等关键技术的突破和逐渐成熟,商业化和产业化成本大幅度降低,芯片良率进一步提高, Micro-LED预计将率先实现后端的显示场景应用。

根据Omdia数据显示,受智能手表和高端电视市场需求影响,全球Micro-LED显示器的出货量将从2020年的低水平飙升至1600多万片,市场需求潜力巨大。

在全球Micro-LED专利申请量TOP15的企业中,中国企业占据一半以上,其中京东方、华星光电这2家中国企业已跻身全球前5。可见中国头部企业在Micro-LED领域具有较强优势,特别是显示面板类企业。而在中国头部企业之外,韩国三星、LG公司的专利申请量同样排在全球前列,尤其是三星,技术优势显著。

白皮书显示,Micro-LED技术研发创新较活跃的区域主要集中在中、美、韩三国。从全球头部创新主体来看,同样是中国、韩国、美国企业占据更大的优势,且主要以显示面板、光电类企业为主。在技术储备上,全球的头部企业技术储备丰富,与后梯队的创新主体拉开明显的差距。

当前,可靠性技术的应用是影响Micro-LED产业化进程的主要因素之一,具体集中在外延&芯片结构、巨量转移、全彩显示和显示驱动等技术领域。白皮书显示:上述四大关键技术均已有了一定量的技术储备,且正在加速技术攻坚,为产业化落地奠定基础。

在外延&芯片结构领域,全球专利布局总量超过3500件。在该领域的技术挑战中,突破量子效率问题是当前行业的热点研发方向。由于该问题是因为制造过程中等离子体刻蚀产生的侧壁损伤引入了非辐射复合中心和漏电流而引起的,因此行业主流通过改进芯片结构、改进制造工艺、避免刻蚀工艺三种方式以改进侧壁损伤。

在巨量转移领域,全球专利布局总量超过3300件。由于Micro-LED发光层和驱动基板生长工艺差异,巨量转移是必须突破的关键技术之一。以一台4K电视为例,需要转移的晶粒高达2400万颗,即使一次转移1万颗,也需要重复2400次,因而转移过程中的转移效率、精度、良率问题将重点影响转移后的显示性能。当前,该领域主要有五大技术流派:分子作用力、静电、磁力转移、激光转印、自组装,其中分子作用力方向的专利布局数量较高。

在全彩显示领域,全球专利布局总量超过2000件。全彩显示能力是Micro-LED技术的关键技术指标。Micro-LED彩色化实现方法主要包括RGB三色LED法、波长转换法和3D纳米线法。由于目前波长转换技术可形成高分辨率,较其他方法对驱动集成要求低,整体商品化成本也较低,因此该技术成为了研发热点,主要应用单色紫外光LED或蓝光LED搭配色彩转换材料来达成全彩化,着重关注关注量子转换效率和光串扰问题的突破。

在显示驱动领域,全球专利布局总量超过1700件。Micro-LED是电流驱动型发光器件,其驱动方式一般分为被动驱动和主动驱动。由于被动驱动在Micro-LED应用上拥有诸多劣势,因此,以CMOS和TFT为代表的主动驱动设计方案或将成为Micro-LED技术发展的良伴。举例来看,在CMOS驱动技术中,为突破Micro-LED和驱动矩阵精准对准困难的问题,当前业界正重点研发Micro-LED与CMOS驱动电路的键合技术。

随着Micro-LED产业化进程的加快,上下游产业链逐渐清晰,白皮书深度刻画了全球Micro-LED产业链企业图谱,并从供应链的角度,揭示了当前该产业中各大主流厂商之间的合作关系。研究显示,当下头部厂商已逐渐形成各自稳定的供应关系,其中三星的供应链构建尤为完善。

此外,从技术研发的视角,白皮书不仅着重分析了三星与苹果两家Micro-LED头部企业的技术全貌,更是在四大关键技术分析的同时,融入了企业维度进行纵向深入研究,解析了包括三星、苹果、Play Nitride、XDC、Aledia、英特尔、华星光电在内的多家头部企业在各细分领域的技术演进路线。

如在巨量转移技术领域中,苹果是全球在该领域布局专利最多的创新主体。白皮书通过解读苹果与其收购的Luxvue的核心专利家族,呈现了苹果围绕巨量转移技术构建的技术护城河。

另外,在外延&芯片结构技术领域中,Play Nitride是全球在该领域布局专利最多的创新主体。白皮书描绘了该公司利用多种技术手段改进侧壁损伤的技术路线,如通过改变芯片结构方式,在P/N半导体层何电极之间设置电流调控结构、斜角LED结构;或通过避免刻蚀工艺的方。

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