什麼是 MicroLED？

光學與光子學技術在顯示器應用領域正迅速發展。雖然 OLED 電視目前擁有最龐大的商業市場，但倍受矚目的 MicroLED 被公認為下一代 LED 顯示器技術，原因在於反應時間更快、功耗更低、能效更佳且解析度更高。 

MicroLED (μLED) 是微米級尺寸的元件，由三五族化合物 (即元素週期表中第三與第五欄的元素) 製成，例如氮化銦鎵 (InGaN) 與磷化鋁銦鎵 (AlGaInP)。MicroLED 是小巧平坦的方形光源，可建構成對比度極高的陣列。MicroLED 顯示器內部的每顆 LED，都扮演著類似像素的角色 (紅、綠或藍)，可應用於 MicroLED 電視及其他需要先進顯示器技術的設備。

MicroLED 的運作方式不同於 LCD 顯示器。傳統 LCD 系統使用 LED 背光與液晶層，透過遮蔽特定部分的光線產生影像。相對之下，MicroLED 與 OLED 顯示器不依賴液晶技術，所以結構簡單許多。它們是由每個像素的 LED 自行發光以形成影像。 

在理想情境下，透過單晶整合的方式，讓 LED 直接在背板上成長 (進行磊晶成長)，為製造 MicroLED 的最佳方法。這是目前還在開發中的領域，各家企業正著手研發原型策略，但執行這些方法的現行成本過高，仍不具商業可行性。

如今，MicroLED 較常使用「取置轉移」法進行製造。在這個方法中，紅、綠、藍三色 LED 會直接在晶圓上製造，接著再逐一轉移至背板上，背板則含有控制光源所需的基板與電子元件。大量轉移過程必須快速、精確又可靠，以確保所有 LED 能在背板上正確對齊。

儘管在量產上仍面臨挑戰，LG、Sony 與 Samsung 正在研發大型高階 MicroLED 電視。不過，在這些產品能普及至一般消費者之前，仍要克服許多設計與規模方面的難題。由於取置製程耗時且成本昂貴，目前這些電視的造價非常昂貴。

MicroLED 技術尚未成熟，設計人員可採用多種不同的半導體製程方式進行製造。在 MicroLED 設計中，開發人員需要考量的重點有：

• 在大型像素陣列中，會出現宏觀等級的非同調發射。為避免此情形，設計人員可使用其他光學元件，如濾光片、透鏡、色彩轉換層、散射結構、偏光片與光柵，提升顯示的色彩表現。
• LED 尺寸愈小，容差要求也就愈發嚴格。尤其在像素密度增加時，小型 LED 對於尺寸變化和錯位的容許範圍就愈小。
• LED 邊緣可能會出現原子層級的缺陷與瑕疵，這會降低元件的內部效率。
• 為配合日益縮減的子像素尺寸，對於高度緊密、省電且複雜的薄膜電晶體 (TFT) 驅動器需求也隨之水漲船高。子像素包含產生顯示顏色所需的紅綠藍元件，因此 TFT 必須快速精準地控制每個像素。
• 避免在各製程階段產生缺陷。即使是製程仍可能會出現壞點，必須將其納入考量。

近年來，OLED 顯示器與 OLED 技術已成為業界標準，但它們如何與 MicroLED 相比呢？用來衡量 OLED、MicroLED、LCD 與 mini-LED 效能的指標有非常多種。整體而言，MicroLED 技術結構更簡單、對比度更高且反應速度更快，可產生畫質更出色的影像。MicroLED 顯示器類似 OLED 顯示器，同樣能製作成柔性顯示器。

MicroLED 相較於其他 LED 技術的優勢包括：

• 像素更小且更亮，色域表現更佳。MicroLED 具有逾 100,000 尼特的亮度，OLED 為 500–1,000 尼特，LCD 為 3,000 尼特。部分 MicroLED 顯示器的亮度，甚至可上看 250,000 尼特。在高亮度之下，不會出現效率衰減、老化或熱效應等問題。
• 相較於 OLED，理論上的外部量子效率 (EQE) 約提升 10%
• 若使用無機材料，可讓 LED 的使用壽命比有機材料更長久
• 具抗氧化與耐受其他環境影響的能力
• 操作溫度範圍更廣 (-100 至 120 °C)
• 陽光下的可視性更佳，可視角更寬廣
• 反應速度達奈秒等級，較微秒或毫秒更快速
• 藍光 LED 有潛力成為 QLED 電視內部量子點的激發光源

雖然尚未完全商業化，但 MicroLED 相較於其他 LED 技術，在亮度、可撓式、畫質與使用壽命等方面的效能提升，得以用於多種先進顯示器技術。MicroLED 的主要應用實例如下：

• 可穿戴式技術，如智慧手錶與運動手環
• MicroLED 電視
• 擴增/虛擬實境 (AR/VR) 眼鏡與頭戴裝置
• 汽車與航太產業運用的抬頭顯示器 (HUD)
• 中央叢集顯示器
• 汽車頭燈
• 高速光通訊
• 可延展的可撓式顯示器

工程師可透過模擬方法，親眼檢視 LED 或顯示器的行為，以克服 MicroLED 設計所面臨的多項挑戰。Ansys 提供多種工具，可在實際製造前模擬 MicroLED 的效能：

Ansys Lumerical STACK 求解器：模擬 MicroLED 內部的不同材料層，顯示光線在其中的反射、折射與傳遞行為。STACK 求解器亦可計算 LED 發光功率與功率密度。

Ansys Lumerical FDTD 求解器：模擬 LED 的遠場發光圖樣與光取出效率。FDTD 求解器也能計算共軛光學座標下的光譜強度，以供 Ansys Speos 設計工具使用。

Ansys Lumerical CHARGE 與 Ansys Lumerical MQW 求解器：模擬 LED 的電流-電壓 (I-V) 曲線、自發發光功率光譜與內部量子效率。

Ansys Speos 軟體：使用 Lumerical 求解器提供的光譜強度資料，進行系統層級的模擬，並作為虛擬光度實驗室。它可協助工程師檢視完整色域並進行光度測試。

歡迎聯絡我們的技術團隊，瞭解如何在進入複雜製程之前，先解決 MicroLED 技術的設計挑戰。

相關資源