Micro-OLED工艺制程：CMOS技术与OLED技术的紧密结合

Micro-OLED 以单晶硅芯片为基底，增加可靠性，实现轻量化

已具备量产能力的 Micro OLED，已成为现阶段 VR 头显厂商设计高端 VR 设备时的首选显 示技术。市面上的多数 VR 产品都采用 LCD 显示面板，VR 头显设备都略显笨重。

Micro OLED 显示器以单晶硅芯片为基底，像素尺寸为传统显示器件的 1/10，精细度远远 高于传统器件, 其区别于常规利用非晶硅、微晶硅或低温多晶硅薄膜晶体管为背板的 AMOLED 器件。单晶硅芯片采用现有成熟的集成电路 CMOS 工艺，不但实现了显示屏像素 的有源寻址矩阵，还在硅芯片上实现了如 SRAM 存储器、T-CON 等多种功能的驱动控制 电路，大大减少了器件的外部连线，增加了可靠性，实现了轻量化。

Micro-OLED 优点：与传统的 AMOLED 显示技术相比，Micro OLED 有以下突出特点：

1) 基底芯片采用成熟的集成电路工艺，可通过集成电路代工厂制造，制造良率更是大大高 于目前主流的 LTPS 技术。

2)采用单晶硅，迁移率高、性能稳定，寿命高于 AMOLED 显示器。

3)200mm×200mm 的 OLED 蒸镀封装设备就可满足制造要求(与 8 英寸晶圆尺寸兼容)，而 不像 AMOLED 需要追求高世代产线。

4) OLED 微显示器体积小，非常便于携带，并且其依借小身材提供的近眼显示效果可以与 大尺寸 AMOLED 显示器相媲美。

优点：与其他微显示技术相比，Micro OLED 亦具有不少优点：

1 ) 低功耗，比 LCD 功耗小 20%，电池重量可以更轻。

2) 工作温度宽，LCD 不能在极端温度如 0℃下工作，必须额外加热元件，而在高温下又必 须使用冷却系统，所有这些解决方案都会增加整个显示器的重量、体积和功耗。而 OLED 为全固态器件，不需要加热和冷却就可以工作在-46℃~+70℃的温度范围内。

3 ) 高对比度，LCD 使用内置背光源，其对比度为 60:1，而 OLED 微显示器的对比度可以 达到 10,000:1。

4) 响应速度快，OLED 像素更新所需时间小于 1μs，而 LCD 的更新时间通常为 10~15ms， 相差了 1,000 到 1,500 倍，OLED 的显示画面更流畅从而减小视疲劳。

下表列出了不同微显示的性能比较，可以看出 Micro OLED (OLED on Silicon)在性能上有较 为明显的优势，其中亮度、综合发光利用率、对比度、色彩能力、像素点距性能都非常优 秀。

从未来市场角度来看：2021 年全球 Micro OLED 在中国产商推波助澜下开始放量，预计 2021-2027 年出货量实现 CAGR 65.21% 的增长。

Micro-OLED 工艺制程：CMOS 技术与 OLED 技术的紧密结合

Micro OLED 是 CMOS 技术与 OLED 技术的紧密结合，是无机半导体材料与有机半导体材 料的高度融合。CMOS 技术主要使用光刻工艺、CMP 工艺等，湿法制成较多，而 OLED 技 术则主要采用真空蒸镀技术工艺，以干法制程为主。两者皆专业且复杂，将两者集成于同 一器件之中，对于工艺技术要求非常严苛。

Micro OLED 器件制造主要通过以下四个步骤实现：

1)硅基 IC 设计与制造：主要涉及集成电路的设计和制造，分别由 IC 设计团队和 foundry 厂完成；

2）OLED 制程：主要包括 OLED 微腔顶发射技术，阳极材料技术，全彩化技术等；

3）OLED 封装制程：包括薄膜封装，玻璃 cover 贴合封装等；

4）显示驱动与系统：与第一部分设计制造紧密相连。

硅基 OLED 微显示器传统制程。a 为器件结构截面示意图，b 是制造流程。其 中流程 1~7 为大片制造。从流程 8 切割后，即为 dice 制造流程。流程 1 为硅基芯片的制 造过程，由集成电路晶圆代工厂按照客户的设计和要求进行生产制造；流程 2~7 为 OLED 的制造流程，在 OLED 工艺代工厂制作完成。其中，流程 2 和 3 为像素阳极的制备过程， 包括阳极材料的成膜及其图案化，涉及较多湿法制程。在传统的硅基 OLED 微显示器制造 工艺中，该制程由 OLED 工厂来制作完成；流程 8~9 由集成电路芯片封装厂完成；流程 10 为模组与系统开发，将硅基 OLED 制作成微显示器模组供用户使用。

Micro OLED 制造设备涉及微电子和光电子制造设备。其中阳极制造需要金属溅射成膜设 备，阳极图案化则涉及晶圆清洗设备、光刻胶涂覆设备、曝光设备、显影去胶设备、烘烤 等设备，这些均属半导体设备。OLED 制程段则需要 OLED 蒸镀设备、薄膜封装设备以及 玻璃贴合封装设备等，这些设备集成为一套系统，在一系列真空和惰性气体气氛内完成。

Micro-OLED 器件结构：驱动背板+OLED 显示前端组成

器件结构: Micro OLED 显示器件以单晶硅作为衬底，在单晶硅衬底上采用标 准的 CMOS 工艺制作显示驱动电路，以提供 OLED 显示所需的像素驱动部分、行列驱动部 分以及其它所需的 DAC 转换等功能电路。在单晶硅衬底上接着制作 OLED 发光单元，由于 硅片衬底不透明，需要制作顶发射 OLED 器件。首先在衬底上，制作高反射率的金属作为 阳极，阳极电极具有较高的反射率可以实现较高的出光效率。接着制作空穴注入层、空穴 传输层、发光层、电子传输层、电子注入层等有机半导体层，形成 OLED 主体发光单元。最后，为了实现光从顶部出射，需要制作半透明的金属层作为阴极。由于ＯLED 器件怕水 氧等破坏，在阴极上需要制作薄膜封装层，用于阻隔水氧，在封装层上，进一步贴合玻璃 进行器件强度保护。

驱动芯片架构：驱动芯片采用 0.18μｍ的 CMOS 工艺设计，驱动背板包括像素电路、行列 驱动、DAC、I2C、数据处理、电源模块、温度检测等功能模块。芯片采用 数字接口，针对高分辨率的应用要求，利用数据采样与比较完成数据传输，驱动芯片像素 采用电压型驱动方式。由于 OLED 器件在不同的温度条件下，器件亮度变化较大，因此在 芯片中集成了温度传感模块，可以实时监测芯片工作温度，实现芯片在高低温下精确调节 电压输出，来调节器件的显示亮度，保持器件显示的稳定和一致。硅基 OLED 器件包括控 制电路芯片部分和显示驱动芯片部分，为了方便用户使用芯片，在驱动芯片中集成了三路 电源模块，包括正压 DC-DC 模块、负压 DC-DC 模块和 LDO 模块。这三路电源模块，可 分别实现给像素整列、OLED 显示的公共阴极和芯片中的控制电路供电。

Micro-OLED 公司：我国视涯科技、京东方、梦显电子、奥雷德等从事研发和中试

目前全球从事硅基 OLED 研发生产的厂商不多,其中美国 eMagin 公司和法国 MicroOLED 公司的产品主要应用于军事领域,能成熟量产的 Micro-OLED 供应商只有索尼公司,在全球 市场处于垄断地位。

我国硅基 OLED 产业化尚处于初级阶段。我国合肥视涯科技、京东方、昆山梦显电子、奥雷德等公 司正在从事硅基 OLED 研发和中试,其中京东方在 2019 年实现了 8 英寸硅基 OLED 生产 线的量产,合肥视涯科技于 2019 年 11 月竣工投产 12 英寸硅基 OLED 显示项目,昆山梦显 电子正在建设一条 8 英寸硅基 OLED 生产线。目前国内硅基 OLED 的低温彩色滤光片工 艺、薄膜封装工艺、硅基数字化驱动技术、核心装备等高性能微显技术和大规模量产技术 等均处于初期阶段。

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