摘要：
对细分领域的钻研是提高专利代理师专业性和技术能力的重要手段，深耕细分领域也是专利代理机构提升行业竞争力的必要战略。在各细分领域中，面板显示技术作为历年来的研究热门技术，积累了大量的专利相关基础，而随着液晶显示技术难的发展以获得较大突破，新一代面板显示技术开始取得进展，其中Micro LED技术则近年来逐渐成为非常热门的技术，且有可能是下一代显示技术中商用化程度最高的技术之一。本文搜集整理了Micro LED相关背景技术材料和典型专利案例，主要介绍Micro LED在结构和制程上的典型专利案例，旨在为专利代理从业人员提供Micro LED的背景技术知识，为专利代理师提供Micro LED的技术储备，并通过典型案例的解析，希望能够对专利代理师带去一定的参考意义。
一、Micro LED的基本结构
1.1Micro LED的发展脉络
LED技术已经发展了多年，自从90年代TFT-LCD蓬勃发展时将LED作为TFT-LCD的背光模组开始，LED开始逐步接入到光电显示技术中，在进入21世纪后，LED作为背光模组开始蓬勃发展，开始成为TFT-LCD的主流背光模组。然而随着光电显示技术的进一步发展，TFT-LCD的自身劣性开始无法避免，由于TFT-LCD的非自发光性，使得其光电效率、色彩饱和度和亮度越来越无法满足日益增长的显示需求，故出现了新一代自发光式显示技术，例如OLED Display和LED Display。而由于常规LED面板尺寸巨大，难以在电视、手机、平板、PC上直接应用，同时OLED由于其采用有机致光材料，自身同样具有一定劣性，故光电显示领域的技术人员开始把目光投向了Micro LED。
1.2Micro LED的结构特征
Micro LED，指的是微小到一定尺寸的LED芯片，具体有多小呢？目前主流观点认为Micro LED是指尺寸在10μm级别的LED芯片，这便同常规LED芯片和mini-LED做了区分。
Micro LED显示的结构是微型化LED阵列。目前，单个Micro LED芯片的尺寸可以做到10μm以下，为常规LED尺寸大小的1%。每一个Micro LED可视为一个像素，每个像素可以实现定址控制、单独驱动自发光。
图1.2.1 Micro LED尺寸与LED尺寸对比（图片来源网络）
就单个Micro LED芯片来说，其基本结构特征与其放大版——LED芯片的结构特征类似，主要还是利用在P-N结两侧施加电压实现发光，具体地，是由P型GaN材料和N型GaN材料相互紧密接触时形成的P-N结面接触型二极管。当在P-N结两侧施加一个正向电压，即对P型GaN一侧施加正压，而对N型GaN一侧施加负压时，就可以使得P-N结两侧的载流子能够容易地相互移动，进而发生电子空穴的辐射复合，产生光出射。
图1.2.2 Micro LED的常规结构（图片来源网络）
与现在主流的显示技术TFT-LCD和OLED相比，Micro LED耗电量更低，并且亮度更高，具体地，Micro LED耗电量仅为LCD的10%，0LED的50％。另外，与同样属于自发光显示器的OLED相较，在同样的电力下，Micro LED屏幕亮度比OLED荧幕亮度高出三倍，并具有较佳的材料稳定性与响应速度，能够实现无影像残留，且使用寿命更高。
此外，在面板结构上，Micro LED也需要加上、下电极，也就是说其驱动IC与现有的的LED、TFT-LCD有很大的重复，对于Micro LED显示产品，其基本构成包括TFT基板、Micro LED晶粒/芯片和驱动IC，这三者可以大量继承现有的TFT-LCD和LED产线，有利于现有生产线的直接升级改造。
图1.2.3 Micro LED与LCD/OLED结构对比（图片来源网络）
同时，与传统的LED显示屏相比，Micro LED的区别主要在于：1．精密程度数十倍的提升；2．集成工艺从直插、表贴、COB封装等变成了“巨量微转移”；3．缺陷可修复性几乎为零；4．背板从印刷电路板，变成了液晶和OLED显示所使用的TFT基板，或者CPU与内存所采用的单晶硅基板。
二、 Micro LED的技术原理
2.1Micro LED的显示原理
如前文中所述的，Micro LED在结构上与LED芯片的结构类似，且都是通过在P-N结两侧施加电压实现发光，那么如何实现正常彩色显示的呢？目前主要有三种方式来实现，包括RGB三色LED法、UV/蓝光LED+发光介质法、光学透镜合成法，其中以前两者的应用范围较广。
2.1.1 RGB三色LED法
RGB三色LED法，即是利用Micro LED芯片上有源层组成来改变发光波长，通过不同外延结构实现红色-LED、绿色-LED和蓝色-LED，调控三组有源层（例如InxGayN/GaN）多量子阱的发光波长为红绿蓝RGB波段的任意波长,可在同一晶圆上制作的RGB任意排列组合及任意波段组合的红绿蓝RGB模块。在形成RGB模块后，通过对不同颜色Micro LED芯片施加不同的电流即可控制其亮度值，从而实现三原色的组合，达到全彩色显示的效果。
具体地，每个RGB模块即构成一个像素，每个像素包含红色-LED、绿色-LED和蓝色-LED（RGB-LED），将不同颜色的Micro LED芯片转移到基板上后，将P和N电极与电路基板连接，利用驱动IC实现对每个Micro LED芯片进行脉冲宽度调制（PWM）电流驱动，可调整高电平电流的占空比来进行光强平衡，实现数字调光。
图2.1.1 单个RGB模块（图片来源网络）
对红色-LED、绿色-LED、蓝色-LED，施加不同的电流即可控制其亮度值，从而实现三原色的组合。每个像素（RGB模块）包含三个RGB三原色LED，一般采用键合或者倒装的方式将P和N电极与电路基板（阵列基板）连接。
利用RGB三色LED法实现彩色化显示的Micro LED彩色显示器件，光源分别由R/G/B三色LED构成，但R\G\B三色LED由于外延结构不同，需要在不同的晶圆（外延片）上生长，在将R\G\B三色LED向基板转移时，也需要分次转移。由于目前RGB三色LED法为主流的彩色化显示方法，故该组装流程也是主流的Micro LED的组装流程，也是目前Micro LED领域重点的研究方向之一。
图2.1.2 RGBLED组装流程（图片来源网络）
2.1.2UV/蓝光LED+发光介质法
UV-LED或者蓝光LED+发光介质法，是采用了LED作为发光器件，同时在LED表面涂覆发光介质，该层发光介质具有光致发光的效果，可在蓝光或紫外光LED的激发下发出特定波长的光，通过对发光介质的选择即可实现RGB三色配比。
发光介质一般以荧光粉和量子点为主，其中荧光粉尺寸相对较大，容易涂覆不均，针对小尺寸面板，多以涂覆量子点的方式实现RGB三色出光。将量子点涂覆在LED上，使其受激发出RGB三色光。
采用量子点作为发光介质，其受激发光的出光颜色主要由材料和尺寸决定，因此可以通过涂覆不同粒径的量子点来改变其发光波长，并实现RGB三色配比。目前通常采用雾状喷涂技术来实现量子点的涂覆，即利用喷雾器和气流控制来喷涂出均匀且粒径一定的量子点，并将其喷涂在LED芯片上，使其受激发出RGB三色光。
图2.2.1 量子点喷涂技术流程示意图（图片来源网络）
2.2 Micro LED的转移工艺
2.2.1芯片级焊接（Chip bonding）
由于Micro LED实质上即是微小化的LED芯片，那么参照现有LED芯片的转移方法，可将成型后的Micro LED利用SMT技术或COB技术一颗一颗键接于基板上，面板成型需要这种方式无疑带来了巨大的工作量。
2.2.2外延级焊接（Wafer bonding）
由于Micro LED尺寸的微小化，可通过直接刻蚀外延片的方式来成型Micro LED，从而形成薄膜结构，再将成型后的巨量的Micro LED形成的薄膜结构整体转移至基板，这需要相当高的刻蚀精度。具体地，在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP)，直接形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构，薄膜结构的各Micro LED的固定间距即为像素点中子像素之间所需的间距，再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱动电路基板上。
针对转移后的LED晶圆，目前通常是使用物理或化学机制剥离基板，仅剩4~5微米Micro LED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上形成显示像素。当然，目前也有厂商申请了不剥离衬底，而直接在衬底内部开孔,形成通孔,作为负极的金属背板穿过通孔直接与外延片接触。
2.2.3薄膜转移（Thin filmtransfer）
薄膜转移技术指的是使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED磊晶薄膜层，再利用感应耦合等离子离子蚀刻，形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构；或者，先利用感应耦合等离子离子蚀刻，形成微米等级的Micro LED磊晶薄膜结构，再使用物理或化学机制剥离LED基板，以一暂时基板承载LED磊晶薄膜结构。
最后，根据驱动电路基板上所需的显示画素点间距，利用具有选择性的转移治具，将Micro LED磊晶薄膜结构进行批量转移，键接于驱动电路基板上形成显示画素。目前，外延级焊接和薄膜转移技术为主流转移手段。
2.3Micro LED的驱动原理
Micro LED的驱动原理主要包括无源选址驱动（pm：passive matrix）和有源选址驱动（am：active matrix）。
无源选址驱动指的是把阵列中每一列的LED像素的阳极（p-electrode）连接到列扫描线（data current source），同时把每一行的LED像素的阴极（n-electrode）连接到行扫描线（scan line）。当某一特定的第y列扫描线和第x行扫描线被选通的时候，其交叉点（x，y）的led像素即会被点亮。
有源选址驱动，指的是每个Micro LED像素有其对应的独立驱动电路，驱动电流由驱动晶体管提供。基本的有源矩阵驱动电路为双晶体管单电容（2t1c：2 transistor 1 capacitor）电路。目前有源选址驱动为主流驱动形式。
2.4巨量转移技术及相关专利简介
前文中提及了薄膜转移技术，通过暂时基板承载LED磊晶薄膜层，在蚀刻形成Micro LED后，再通过转移治具将Micro LED进行批量转移，这就涉及到了巨量转移技术。简单来说，巨量转移技术就是如何将数量巨大的Micro LED芯片/晶粒转移到TFT驱动基板上的一种技术。
巨量转移的难点在于，如何提升转移良率到99.9999%(俗称的「六个九」)，且每颗芯片的精准度必须控制在正负0.5μm以内。传统的LED在封装环节，主要采用真空吸取的方式进行转移。但由于真空管在物理极限下只能做到大约80μm，而Micro LED的尺寸基本小于10μm，所以真空吸附的方式在Micro LED时代不再适用。下面将介绍目前主流的几种巨量转移手段。
图2.4 主流转移技术（图片来源网络）
2.4.1静电力转移技术
静电力转移技术采用具有双级结构的转移头，在转移过程中，分别施于正负电压，当从衬底上抓取LED时，对一硅电极通正电，LED就会吸附在转移头上，当需要把LED放到既定位置时，对另外一个硅电极通负电，即可完成转移。（CN104054168A-LUXVUE/苹果公司）
图2.4.1.1 CN104054168A专利附图1
图2.4.1.2 CN104054168A专利附图2
图中标识：100-传送头；200-微LED器件；201-载体衬底；210-键合层；250-微p-n二极管。
2.4.2范德华力转移技术
范德华力转移技术使用弹性印模，结合高精度运动控制打印头，利用凡德瓦力，通过改变打印头的速度，让LED粘附在转移头上，或打印到目标衬底片的预定位置上。（US2017-0048976 A1X-celeprint）
X-Celeprint的巨量转移技术Micro-Transfer-Printing (μTP)是用压印头在LED上施压，利用凡得瓦力让LED附着在压印头32上后，再从来源基板上将其拾取，移至目标基板20上的预定位置上后，压印头连同LED压向目标基板，使LED上的连接柱插入背板接触垫后完成LED转移。
图2.4.2 US 2017-0048976 A1专利附图
2.4.2磁力转移技术
在切割之前，在Micro LED上混入诸如铁钴镍等磁性材料，利用电磁吸附和释放。（CN107783331A-华星光电）
通过磁性构件向器件转移板103上设有的大量的器件施加磁场作用力，因此可以使得大量的所述器件104可以一次性地转移(设置)到阵列基板101上。
图2.4.2 CN107783331A专利附图
2.4.3流体自组装技术
流体自组装技术，利用刷桶在衬底上滚动，使得LED置于液体悬浮液中，通过流体力，让LED落入衬底上的对应井中。
具体地，提供具有顶表面的发光基板,该顶表面中形成有多个井。每个井具有带有第一电接口的一底表面。同时提供发光元件的液体悬浮液。该悬浮液流过该发光基板而发光元件被捕获在所述井中。对发光基板进行退火使得每个发光元件与其对应的井的第一电接口之间形成电连接。（CN107833525A-eLux）
图2.4.3 CN107783331A专利附图
目前主流的巨量转移技术通常是采用以上方案中的一种或几种，或者在以上几种方案的基础上进行变形和改进，而实质上巨量转移技术目前实施起来仍旧有一定难度，相关企业厂商仍然就这一技术在进行深入的改进与研究。
三、Micro LED的典型案例
案例1（CN107946415B-上海天马微电子有限公司）
技术问题：在现有工艺中，微型LED在转移时容易出现对位偏差和材料残留，因此容易产生导电异常，亮度均匀性差异以及每个LED的器件寿命差异等问题。
技术方案：由于形成支撑连接层105与稳定化层107接触，避免了将牺牲层106移除时微型发光二极管103掉入稳定化层107的情况，从而避免了使用转移基板300吸附或放置微型发光二极管103时产生位置偏差的问题。此外，由于本发明提供的显示的制造方法将支撑连接层105和电接触层104分离设置在第二导电层1033上，避免了用转移基板300吸附微型发光二极管103时即使出现材料残留问题(如稳定化层107残留在微型发光二极管103上)，材料也不会残留在微型发光二极管103的电接触层104上，从而不会影响到电接触层104的导电性能以及平整性。
图3.1.1 步骤D的示意图
图3.1.2 步骤J的示意图
其具体成型步骤如下：步骤A：提供一生长基板101；步骤B：在生长基板101上形成外延层102；步骤C：在外延层102上形成微型发光二极管的第一导电层1031、微型发光二极管的半导体层1032以及微型发光二极管的第二导电层1033；步骤D：在第二导电层1033上形成电接触层104和支撑连接层105，电接触层104和支撑连接层105分离设置；步骤E：在微型发光二极管103以及外延层102上形成牺牲层106；步骤F：图案化牺牲层106，暴露支撑连接层105；步骤G：形成稳定化层107，稳定化层107与支撑连接层105接触；步骤H：提供一转移基板，转移基板包括转移衬底201和粘合剂层202；步骤I：将粘合剂层202贴附到稳定化层107的表面；步骤J：移除生长基板101、外延层102以及牺牲层106；步骤K：提供一吸附基板300，吸附基板300将微型发光二极管103与稳定化层107分离；步骤L：提供一驱动基板，包括透明衬底401和驱动阵列402；步骤M：将微型发光二极管103放置在驱动基板上。
案例1小结：通过在成型过程中形成支撑连接层，实现使得微型发光二极管转移时不会产生偏差，其本质上是为了实现某种工艺效果而反向优化结构。而专利代理师在撰写时需要注意其结构变化的本质所在，并围绕其能够产生的有益效果合理布局工艺和结构权项。
案例2（CN106848026B-京东方科技集团股份有限公司）
技术问题：现有的微LED器件在实际应用中发现：微LED器件的光提取效率较低。
技术方案：采用纳米金属薄膜作为出射电极，能够很好地实现对光信号地收集再发射，从而能够提高光微LED器件的提取效率；并且，纳米金属薄膜的透明度能够满足出射电极作为出射的要求。
本专利提供的微LED器件，包括出射电极1、对置电极2和发光功能层3，其中，所谓出射电极1是指作为光信号出射的电极；出射电极1和对置电极2相对设置，发光功能层3设置在出射电极1和对置电极2之间，具体地，发光功能层3包括P型半导体层、P-N结和N型半导体层；出射电极1为纳米金属膜层。
图3.1.3 微LED器件的结构示意图
案例2小结：通过采用纳米金属膜层作为出射电极，能够实现对光信号的收集与发射，提高光效率。其实质上是通过某一原有结构的优化重置，对于其半导体层级结构并未发生明显变化，代理师在撰写时需要着重突出优化的层级结构的构成，使得其能够与现有技术相区分。
案例3（CN109378370A京东方科技集团股份有限公司）
技术问题：芯片级焊接艺制备Micro LED显示面板的过程中，转移Micro LED的过程较繁琐，导致Micro LED显示面板的制备过程复杂且制备效率较低
技术方案：采用磁力转移技术，具体地，主体结构上阵列设置有多个磁吸单元，且该多个磁吸单元的排布方式与阵列基板中多个指定像素区域的排布方式相同，每个磁吸单元可以吸附一个微型LED。该转移设备可以同时吸附多个微型LED，并将吸附的多个微型LED一次性向阵列基板转移，因此与相关技术相比，简化了显示基板的制备过程，提高了显示基板的制备效率。
图3.1.4 转移设备吸附承载平台上的微型发光二极管的场景示意图
图3.1.4 转移设备向阵列基板上转移微型LED的场景示意图
案例3小结：本申请实质上是前文中介绍的磁力转移技术的另一种形式，并且进行了优化，补足了修补方面的技术方案。为了拔高本申请的新创性，在背景技术中将芯片级焊接作为了现有技术，这种方式值得借鉴，但是其前提是建立在本申请与现有的磁力转移技术具有明显区别，属于通过不同技术手段达到相同技术效果范畴，否则其拔高效果没有意义。
结语
本文主要是对Micro LED相关背景技术进行搜集和整理，以帮助专利代理师熟悉Micro LED的发展脉络和技术原理，并通过对其中最为热点的巨量转移技术进行检索，搜集了巨量转移相关典型案例，涉及不同方案实现巨量转移技术，一方面为专利代理师熟悉相关技术提供素材，另一方面为专利代理师撰写Micro LED以及巨量转移技术的专利申请提供具有指导意义的案例。希望能够对立志于深耕Micro LED细分领域的专利代理师们有所裨益。
