Micro-LED有望促使顯示屏向輕薄化、小型化、低功耗、高亮度方向發(fā)展，被譽為“下一代微顯示器技術”。3月3日，國家第三代半導體技術創(chuàng)新中心(蘇州)、江蘇第三代半導體研究院與智慧芽聯(lián)合發(fā)布《2023 Micro-LED產業(yè)技術洞察白皮書》(以下簡稱“白皮書”)。白皮書從技術研發(fā)視角出發(fā)，全面分析了Micro-LED產業(yè)的競爭環(huán)境、重點技術、代表企業(yè)等情況。
中國科學院院士、國家第三代半導體技術創(chuàng)新中心(蘇州)主任郝躍在發(fā)布會致辭中表示：“現(xiàn)今，我國正在大力實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，中國科技正向著價值鏈的上游攀升。Micro-LED作為LED發(fā)展新賽道，市場增幅和市場潛力巨大。白皮書經過課題研究組半年多時間的梳理、分析、總結，致力于填補Micro-LED產業(yè)分析中‘市場—技術—專利’的研究空白，為企業(yè)的專利構思與布局提供支撐，幫助企業(yè)和研究機構預測技術和產品的創(chuàng)新點，減少科研的盲目性和重復性，同時強化產業(yè)鏈企業(yè)間的協(xié)同合作，為政府的技術創(chuàng)新與產業(yè)發(fā)展決策提供相關參考。”
白皮書顯示：Micro-LED產業(yè)呈現(xiàn)出市場潛力大、技術儲備豐富、創(chuàng)新研發(fā)熱度高漲的特征，全球該領域的專利申請已超過4萬件，正處于爆發(fā)式增長期;從創(chuàng)新主體來看，中國頭部企業(yè)與國際龍頭齊頭并進，在專利申請量Top 15企業(yè)中，中國企業(yè)已占一半以上;從技術上看，Micro-LED產業(yè)化的關鍵技術難題主要集中于外延&芯片結構、巨量轉移、全彩顯示和顯示驅動上，上述技術正在加速攻堅進程;此外，白皮書著重從企業(yè)維度進行縱向深度研究，解析了包括三星、蘋果在內的多家頭部企業(yè)在各細分領域的技術演進路線。
技術儲備豐富 研發(fā)熱度高漲
從技術創(chuàng)新的維度看，根據(jù)智慧芽數(shù)據(jù)顯示，截至2022年6月，Micro-LED全球專利儲備已超過4萬件，技術儲備豐富;且從2017年開始，Micro-LED技術研發(fā)活躍度明顯上升，目前正處于爆發(fā)式增長期。
Micro-LED是在一個芯片上集成高密度微小尺寸的LED陣列。相較于現(xiàn)已大規(guī)模量產的LCD技術和OLED技術，Micro-LED的性能優(yōu)勢顯著：長壽命、高對比度、可實現(xiàn)高分辨率、響應速度快、更廣的視角效果、豐富的色彩、超高的亮度和更低的功耗等。
目前Micro-LED芯片已在眼鏡、電視等顯示場景實現(xiàn)產品化，但大部分產品還處于概念階段，未實現(xiàn)大規(guī)模市場推廣。隨著Micro-LED相關的紅光芯片、轉移、全彩顯示等關鍵技術的突破和逐漸成熟，商業(yè)化和產業(yè)化成本大幅度降低，芯片良率進一步提高， Micro-LED預計將率先實現(xiàn)后端的顯示場景應用。
根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)顯示，受智能手表和高端電視市場需求影響，全球Micro-LED顯示器的出貨量將從2020年的低水平飆升至1600多萬片，市場需求潛力巨大。
圖：Micro-LED全球技術創(chuàng)新概況
中國頭部企業(yè)與國際巨頭齊頭并進
在全球Micro-LED專利申請量TOP15的企業(yè)中，中國企業(yè)占據(jù)一半以上，其中京東方、華星光電這2家中國企業(yè)已躋身全球前5?？梢娭袊^部企業(yè)在Micro-LED領域具有較強優(yōu)勢，特別是顯示面板類企業(yè)。而在中國頭部企業(yè)之外，韓國三星、LG公司的專利申請量同樣排在全球前列，尤其是三星，技術優(yōu)勢顯著。
白皮書顯示，Micro-LED技術研發(fā)創(chuàng)新較活躍的區(qū)域主要集中在中、美、韓三國。從全球頭部創(chuàng)新主體來看，同樣是中國、韓國、美國企業(yè)占據(jù)更大的優(yōu)勢，且主要以顯示面板、光電類企業(yè)為主。在技術儲備上，全球的頭部企業(yè)技術儲備豐富，與后梯隊的創(chuàng)新主體拉開明顯的差距。
圖：Micro-LED全球&中國主要創(chuàng)新主體
四大關鍵技術突破在望
當前，可靠性技術的應用是影響Micro-LED產業(yè)化進程的主要因素之一，具體集中在外延&芯片結構、巨量轉移、全彩顯示和顯示驅動等技術領域。白皮書顯示：上述四大關鍵技術均已有了一定量的技術儲備，且正在加速技術攻堅，為產業(yè)化落地奠定基礎。
在外延&芯片結構領域，全球專利布局總量超過3500件。在該領域的技術挑戰(zhàn)中，突破量子效率問題是當前行業(yè)的熱點研發(fā)方向。由于該問題是因為制造過程中等離子體刻蝕產生的側壁損傷引入了非輻射復合中心和漏電流而引起的，因此行業(yè)主流通過改進芯片結構、改進制造工藝、避免刻蝕工藝三種方式以改進側壁損傷。
圖：外延&芯片結構領域改進側壁損傷技術流派
在巨量轉移領域，全球專利布局總量超過3300件。由于Micro-LED發(fā)光層和驅動基板生長工藝差異，巨量轉移是必須突破的關鍵技術之一。以一臺4K電視為例，需要轉移的晶粒高達2400萬顆，即使一次轉移1萬顆，也需要重復2400次，因而轉移過程中的轉移效率、精度、良率問題將重點影響轉移后的顯示性能。當前，該領域主要有五大技術流派：分子作用力、靜電、磁力轉移、激光轉印、自組裝，其中分子作用力方向的專利布局數(shù)量較高。
圖：巨量轉移領域技術流派
在全彩顯示領域，全球專利布局總量超過2000件。全彩顯示能力是Micro-LED技術的關鍵技術指標。Micro-LED彩色化實現(xiàn)方法主要包括RGB三色LED法、波長轉換法和3D納米線法。由于目前波長轉換技術可形成高分辨率，較其他方法對驅動集成要求低，整體商品化成本也較低，因此該技術成為了研發(fā)熱點，主要應用單色紫外光LED或藍光LED搭配色彩轉換材料來達成全彩化，著重關注關注量子轉換效率和光串擾問題的突破。
圖：全彩顯示領域波長轉換方法技術路線
在顯示驅動領域，全球專利布局總量超過1700件。Micro-LED是電流驅動型發(fā)光器件，其驅動方式一般分為被動驅動和主動驅動。由于被動驅動在Micro-LED應用上擁有諸多劣勢，因此，以CMOS和TFT為代表的主動驅動設計方案或將成為Micro-LED技術發(fā)展的良伴。舉例來看，在CMOS驅動技術中，為突破Micro-LED和驅動矩陣精準對準困難的問題，當前業(yè)界正重點研發(fā)Micro-LED與CMOS驅動電路的鍵合技術。
圖：顯示驅動領域CMOS驅動轉移鍵合技術路線
深度洞悉頭部企業(yè)技術路線
隨著Micro-LED產業(yè)化進程的加快，上下游產業(yè)鏈逐漸清晰，白皮書深度刻畫了全球Micro-LED產業(yè)鏈企業(yè)圖譜，并從供應鏈的角度，揭示了當前該產業(yè)中各大主流廠商之間的合作關系。研究顯示，當下頭部廠商已逐漸形成各自穩(wěn)定的供應關系，其中三星的供應鏈構建尤為完善。
圖：Micro-LED各大主流廠商合作和供應鏈關系
此外，從技術研發(fā)的視角，白皮書不僅著重分析了三星與蘋果兩家Micro-LED頭部企業(yè)的技術全貌，更是在四大關鍵技術分析的同時，融入了企業(yè)維度進行縱向深入研究，解析了包括三星、蘋果、Play Nitride、XDC、Aledia、英特爾、華星光電在內的多家頭部企業(yè)在各細分領域的技術演進路線。
如在巨量轉移技術領域中，蘋果是全球在該領域布局專利最多的創(chuàng)新主體。白皮書通過解讀蘋果與其收購的Luxvue的核心專利家族，呈現(xiàn)了蘋果圍繞巨量轉移技術構建的技術護城河。
圖：蘋果/Luxvue巨量轉移相關核心專利家族解讀
另外，在外延&芯片結構技術領域中，Play Nitride是全球在該領域布局專利最多的創(chuàng)新主體。白皮書描繪了該公司利用多種技術手段改進側壁損傷的技術路線，如通過改變芯片結構方式，在P/N半導體層何電極之間設置電流調控結構、斜角LED結構;或通過避免刻蝕工藝的方式，基于隧道效應提升發(fā)光效率等。
圖：Play Nitride改進側壁損傷技術路線
聯(lián)合發(fā)布單位介紹：
國家第三代半導體技術創(chuàng)新中心(蘇州)(簡稱“國創(chuàng)中心”)于2021年3月獲科技部批復支持建設。國創(chuàng)中心集聚全國優(yōu)勢力量為第三代半導體產業(yè)提供創(chuàng)新源頭技術供給，輸出高質量科技創(chuàng)新成果，輻射帶動形成一批具有核心競爭力的創(chuàng)新企業(yè)，貫通創(chuàng)新鏈、技術鏈、人才鏈和產業(yè)鏈。
江蘇第三代半導體研究院是由江蘇省、蘇州市、蘇州工業(yè)園區(qū)共建的新型研發(fā)機構，是國創(chuàng)中心的建設實施單位，聚焦第三代半導體在新型顯示、5G 通信、電力電子、環(huán)境與健康等領域的應用，開展第三代半導體高質量材料制備技術、器件外延技術、芯片工藝技術、應用模塊設計與集成技術、相關裝備技術等關鍵共性技術研發(fā)和成果轉移轉化。
智慧芽是一家科技創(chuàng)新信息服務商，聚焦科技創(chuàng)新情報和知識產權信息化服務兩大板塊通過機器學習、計算機視覺、自然語言處理 (NLP)等人工智能技術，智慧芽為全球的科技公司、高校和科研機構、金融機構等提供大數(shù)據(jù)情報服務。截至目前，智慧芽已經服務全球50多個國家超12000家客戶，涵蓋了高校和科研院所、生物醫(yī)藥、新材料、新能源、智能制造、通信電子、新能源汽車、半導體等50多個高科技行業(yè)。
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