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欧博电脑版:深度剖析!关于Micro LED是时刻领会下这些了.......

admin2021-10-1544

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General Introduction

Technology in Mini/Micro LED Production

Fig 1.1 General of Mini/Micro LED Technology (23)

Micro LED 特指其尺寸在 3 – 10 μm 的自觉光 LED。其现有主要潜在市场是高分辨率的家用消费电子市场。

凭证最终运用场景的差异, Micro LED 可以直接在 Si、GaN 或者 Sapphire 等基底上制作高分辨率显示屏供 VR 等产物使用, 也可以在衬底上制作完成后通过巨量转移的方式将 Micro LED 芯片在更大尺寸且带有逻辑电路的基板上举行组装, 从而知足手机和电视等大尺寸显示屏运用场景的需求。

Fig 1.2 Process Flow of Applying Micro LED for Large Size Display Use (11)

Fig 1.3 Example of processing method in micro LED (31)

和 AR/VR 等运用场景中细小的屏幕尺寸相比, 手机、平板和电视上的屏幕尺寸较大。若是希望在这些场景中使用 Micro LED 甚至是 Mini LED, 则 LED 器件需要在基板上举行星散, 并在较大的基底上举行组装:

在带有驱动电路的基板上仅举行 LED 的组装完成显示屏幕的制作。常见的作法有将 LED 组装到带有 TFT 的基板上, 或划分将 LED 和驱动芯片组在玻璃等基板上组装等。该手艺由于存在较多的步骤, 其理论良率较低。

将 LED 和 CMOS 举行整合使得每个单元有自己的驱动, 厥后再在较大的基底上举行组装。该方式可以视为 Mini LED 做 Patch wall 手艺的一种延伸。每个结构单元上有自己的驱动, 理论上可以提高良率和削减后续修补工艺。

a图

b图

Fig 1.4 Examples of processing method in micro LED (33)

a图

b图

Fig 1.5 Examples of processing method in micro LED with integrated CMOS (33)

住手到 2019 年头, 在 Micro LED Display实现彩色分色上也主要两种主要的器件结构设计思绪:

直接 RGB 分色 Micro LED 屏幕: 在该器件中, 划分接纳 R、G 和 B 三种颜色的 Micro LED 来形成像素。

Micro LED 蓝光 + 色转换结构: 在该结构中, 其主要思绪是由蓝色 Micro LED 发光引发对应的 R 和 G 色转换层来完成彩色的显示。

Fig 1.6 Example of processing method in Micro LED + color conversion (31)

通例的 Display照样以玻璃基板+TFT 为基础设计的。为了进一步提高良率并削减转移中的消耗, Yole 提出直接制作 Micro IC 形式来对 Micro LED 显示时代来举行依附。其详细思绪是 (31):

直接在硅片上制作多个 IC 电路。

厥后将 Micro LED Bonding 在电路上。

将带有 Micro LED 的 IC 电路分成小片。

凭证显示屏幕需要组装所需数目的 Micro IC 芯片。

该方式的优点是其不需要 TFT 背板, 同时可以在 IC 代工厂里完成大部门的元件制作并有用的降低成本。

从屏幕生产的角度上来思量, 工艺步数的削减可以有用的提高产物的良率。由此, 蓝色 μLED + color conversion on CMOS 的方式存在较大的竞争优势。

Fig 1.6 Example of Micro IC from Celeprint (31)

Fig 1.6 Example of Micro LED with Micro IC from Yole (31)

2

Production in Details

2.1 Epitaxial Growth

由于 Micro LED 结构中对功效层结晶态和结晶取向要求较高, Micro LED 需要在高度结晶的晶圆上举行生长。与 OLED 蒸镀有一定的相似性, 随着晶圆尺寸的增大, Micro LED 制作的数目和效率也会增大, 然则其成膜平均性会收到一定的影响。

Micro LED 的主要生产质料是 GaN (红色的 Micro LED 用 GaAs 而其他颜色则可以用 GaN。由于 GaAs 较难制作, 以是红色 Micro LED 价钱会比其他颜色更贵), 并接纳侧延生长的方式在衬底上举行制作 (1):

MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition)(3): MOCVD 是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和 V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源质料, 以热剖析反映方式在衬底上举行气相外延,生长种种Ⅲ-V 族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶质料。通常 MOCVD 系统中的晶体生长都是在常压或低压(10-100Torr)下通 H2 的冷壁石英(不锈钢)反映室中举行,衬底温度为 500 - 1200℃, 用直流加热石墨基座(衬底基片在石墨基座上方), H2 通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。与 MBE 相比, 其生长速率快。

Fig 2.1.1 Example of MOCVD (1)

MBE (Molecular Beam Epitaxy) (4) : 分子束外延是一种新的晶体生长手艺, 简记为 MBE。其方式是将半导体衬底放置在超高真空腔体中, 和将需要生长的单晶物质按元素的差异划分放在喷射炉中(也在腔体内)。由划分加热到响应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的(可薄至单原子层水平)单晶体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的是差异结构或差异质料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低, 能严酷控制外延层的层厚组分和掺杂浓度, 但系统庞大, 生长速率慢, 生长面积也受到一定限制。接纳 MBE 方式举行生长时, 其生长的基板需要为单晶结构。

Fig 2.1.2 Example of MBE (1)

在生长 Micro LED 时需要用到单晶的衬底/晶圆。常用于 Micro LED 生长的晶圆有 (1):

蓝宝石衬底

SiC 衬底

GaN 衬底

从价钱而言, 蓝宝石沉底最廉价, 而 GaN 衬底最贵。而从器件的性能而言, GaN 衬 *** 作出的器件其性能加倍的优异 (1) 。

与 OLED 相比, 其两者驱动电路结构基真相同, 然则区别是 Micro LED 可以遭受更高的驱动电流(1000A/cm2 vs 10 A/cm2) (1) 。

2.2 Approaches of Making μLED: Monolithic & Chiplet

Micro LED 显示屏有几种差其余制作形式:

Monolithic: 直接在衬底上制作 Micro LED Display (单色或多色叠层的 Micro LED)。

Fig 2.2.1 Monolithic Approach on Micro LED (1)

Chiplet: 在基片上制作 Micro LED 后再将 Micro LED 切为小片并在其他面板上举行组装。该方式是现在较为常见的一种 Micro LED 制作方案。

Fig 2.2.2 Example of Chiplet Approach on Micro LED (1)

通过 Monolithic 方式制作的 Micro LED 显示屏通常在基板上已经通过半导体工艺制作了逻辑电路。和 Chiplet 方式制作的Micro LED 显示屏相比, 其优点是具有更高的分辨率且更适适用于智能手表、Hud 仰面显示器和 AR/VR 等运用场景。然则晶圆的尺寸限制了 Monolithic Micro LED 在大尺寸显示场景下的运用。为了将 Micro LED 运用到显示面积更大的环境, 如手机、电视和幕墙中,一样平常则接纳 Chiplet 的方式来举行 Micro LED 的制作。

Table2.1 Comparison Between Monolithic Approach and Chiplet Approach (1)

2.3 Transfer in Chiplet Method

Fig 2.3.1 Examples of Mass Transfer Method on Micro LED (10)

接纳 Chiplet 方案制作 Micro LED Display的难点是若何无损的对芯片举行 De bonding/Release、Transfer、Bonding 和电极 Wire。

凭证巨量转移的方式差异, 其又可以进一步细分为差其余方式和方案:

Pick & Place: 单片 Micro 的抓取与放置。接纳 Pick & Place 方案时, 由于手艺限制(如真空管吸收的物理极限等), 精度>30 μm 且需要 Micro LED 芯片尺寸大于 80 μm (13)/200 μm(7) 。传统的Pick & Place 加倍适合运用到 Mini LED 的制作中。然则顺应着该手艺逻辑, 该手艺进一步分化为 Fine Pick & Place 手艺 (13) 。住手到 2018 年年中, 现有主流的 Fine Pick & Place 手艺主要有三种:

1、静电力 Static Electricity (13): 接纳具有双极结构的转移头, 在转移历程中划分施于正负电压:

Pick: 当从衬底上抓取 LED 时, 对一硅电极通正电, 由此 LED 就会吸附在转移头上。

Place: Place 历程需要对另外一个硅电极通负电, 从而释放 LED 芯片。

但现在现况转移装备(Pick & Place)的周详度是±34μm(Multi-chipper Transfer) (16) 。

2、范德华力 Van der Waals Force (13): 该工艺使用弹性印模(Elastomer PDMS Transfer Stamp), 连系高精度运动控制的打印头, 行使范德华力举行 LED 芯片的抓取与放置。

Fig 2.3.2 Examples of Static Electricity Method (13)

Fig 2.3.3 Examples of Van der Waals Force Method (13) 图片泉源:X-Celeprint

3、磁力 Magnetic (13) : 在 Micro LED 制作中计入含有磁性(Morganatic)的 bonding 层, 从而通过电磁的吸拥护释放来实现 LED 芯片的抓取和放置。

Fig 2.3.4 Example of Magnetic Micro LED (1)

Selective Release (13): 该手艺中略过了 Pick 的环节, 而直接在原有的衬底上将 LED 举行转移。其手艺实现的路径用的对照多的方式是 LLO 手艺。

LLO 手艺常用与柔性 AMOLED 显示屏手艺生产。其基本原理是通过激光从后头照射需要 Debonding 的器件, 从而使得该部门区域和衬底脱离。当用 LLO 中的激光照射 GaN 基板上,照射处的 GaN 会剖析为金属 Ga 和 N2 (13)。

Self-Assembly: 该手艺中最为常见的是 Fluid Self Assembly手艺, 其主要机理是通过不会改变 Micro LED 结构的液体中介来实现芯片的转移。

Fluid Self Assembly: 在 Micro LED 制作中计入含有磁性(Morganatic)的 bonding 层, 而于此同时需要 Bonding 的基板上保留含有磁性的 Micro LED 孔洞。厥后将切割后的 Micro LED和基板放置于溶液中, 并依托磁力的作用使 Micro LED 契合在对应的基板图案上。

Fig 2.3.5 Example of Fluid Assembly (1)

Roll Printing: R2R 手艺。和其他手艺相比, 其理论成本更低, 然则工艺难度和挑战更大。

Fig 2.3.6 Example of Roll Printing Method by Rohinni (13)

在一些 Micro LED 转移/转印手艺中, 需要用激光方式将 Micro LED 举行 Lase Induced Forward Transfer(LIFT)。Coherent 指出通过 LIFT 手艺, 其每个激光 Shot 可以转移也许 10, 000 个芯片, 从而大幅度提高 Micro LED 转移效率 (25)。Coherent 其在 2018 年的思绪是先将 Micro LED 通过 LLO 的方式转移到中央载体 Template 上, 厥后再用 LIFT 将 Micro LED 转移到最终的面板上。

Fig 2.3.7 Example of LLO & LIFT by Coherent 2018 (25)

Fig 2.3.7 Example of LIFT by Coherent 2018 (25)

于此同时, QMAT 在 2018 年 iMiD *** 上也展出类似手艺并将其称为 Soft LLO (27)。与 Coherent 思绪差其余是 QMAT 直接在制作 Micro LED 时在中央加入 Transfer Release Layer, 然后接纳脉冲LLO 将生长有 Micro LED 的 Wafer 直接看成 Template 来用(27)。

Fig 2.3.8 Example of Soft LLO by QMAT 2018 (27)

无论是哪种用法方式, 都需要一定的方式来将 Micro LED 从基板上脱离, 厥后使其 Bonding 在目的衬底上。凭证脱离方式的差异, 可以将以上几种巨量转移方式举行以下归类 (34) :

Mechanical Released Carrier (MRC): 用机械力举行脱离。

Optical Released Carrier (ORC): 用激光的方式来举行脱离。

OMRC (Optical – Mechanical Released Carrier): 激光和机械力夹杂脱离方式。

为了保证在最后衬底上 Bonding 后器件的良率, 一样平常可以思量接纳 Know Good Die(KGD)的方式(34) 在 Bonding 前举行预先检测。KGD 是一种预先检测的方式, 在制作完 Micro LED 后直接对其器件举行预点亮并举行观察, 由此可以发现有缺陷的器件。在转移历程中行使 KGD 检查的效果可以跳过缺陷器件, 从而理论上提高了最终制品的良率。

2.4LED/Micro LED: Bonding

Fig 2.4.1 Example of LED Bonding (14)

Table 2.2 Example of LED Bonding (14)

LED Bonding 的封装手艺随着运用场景和器件尺寸等的区别也各不相同。

Lamp: LED 芯片的直插引脚式(Lamp)最先研发乐成并投放市场的 LED 产物, 手艺成熟、品种繁多。通常支架的一端有“碗杯形”结构, 将 LED 芯片牢靠在“碗杯形”结构内, 然后接纳灌封封装。灌封是先在 LED 模腔内注入液态环氧树脂, 然后插入压焊好的引脚式 LED 支架并放到烘箱中让环氧树脂固化, 再从模腔中脱离出 LED 即成型, 成为 LED 产物。直插式封装手艺的制造工艺简朴、成本低, 有着较高的市场占有率。现在, 直插式引脚封装的LED 通常是单色( 红 色 、绿色、蓝色)发光应用于大屏幕点阵显示、指示灯等领域。早期, 全彩的 LED 显示屏是通过将红色、绿色和蓝色的 3 个或 4 个 Lamp LED 器件做为一个像素点拼接成的。近年来, RGB 三合一 Lamp LED 器件也在研发中, 以知足高亮、高分辨、高效率拼接的要求。现在直插式 LED 主要应用于户外点间距在 P10 以上的大屏, 其亮度优势、可靠性优势较显著, 但由于户外点间距也朝着高密偏向生长, 直插受限于红绿蓝 3 颗器件单独插装, 很难高密化, 以是在户外点间距 P10 以下逐渐被 SMD 器件替换 (14) 。

Fig 2.4.2 Example of Lamp Bonding (14)

SMT/SMD: 表贴三合一(SMD)LED 于 2002 年兴起, 并逐渐占有 LED 显示屏器件的市场份额, 使得市场从引脚式封装转向 SMD。表贴封装是将单个或多个 LED 芯片粘焊在带有塑胶“杯形”外框的金属支架上(支架外引脚划分毗邻 LED 芯片的 P、N 极), 再往塑胶外框内灌封液态封装胶, 然后高温烘烤成型, 最后切割星散成单个表贴封装器件。由于可以接纳外面贴装手艺(SMT), 自动化水平较高。与引脚式封装手艺相比, SMD LED 的亮度、一致性、可靠性、视角、外观等方面显示都优越。SMD LED 体积更小, 重量更轻, 且适合回流焊接, 尤其适合户内、外全彩显示屏的应用。SMD LED 可分为支架式 TOP LED 和片式( Chip )LED 。前者常接纳 PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)支架, 后者接纳 PCB 线路板作为 LED 芯片的载体。PLCC 支架成本低, 然则在应用中存在气密性差、散热不良、发光不平均和发光效率下降等问题。此外, 另有性能和光效更好的 PCT 及 EMC 材质的支架, 但思量到价钱较贵, 暂未在 LED 显示屏器件上普遍应用。SMD LED 器件封装尺寸具有一定的局限性。当封装尺寸往 0808 更小尺寸封装生长时, 封装的工艺难度急剧增大, 良率下降, 导致成本增添。这主要是受限于固晶、焊线、划片(冲切)、焊线的装备精度等因素。另外, 在终端应用的成本也会增添, 主要体现在贴装装备的精度、贴装效率等 (14)。

SMT (9): 外面贴装电子元件手艺, 是 LCD 驱动线路板的制造工艺之一。主要流程为印锡膏、贴元件、回流焊。可靠性较高, 但体积大、成本高。

Fig 2.4.3 Example of SMD Bonding (14)

COB: 板上封装(Chip on Board 是一种将多颗 LED 芯片直接安装在散热 PCB 基板上来直接导热的结构。COB 集成封装不只能够削减支架成本和简化 LED 屏制造工艺, 还可以降低芯片热阻, 实现高密度封装。选用 COB 封装的 LED 显示屏在一定水平上扩展了器件的散热面积, 从而让发生的热量更为容易扩散到外界。成本上, 与传统的封装方式相比, COB LED 显示模块在现实应用中能够节约器件的封装成本。在相同功效的显示屏系统中, 接纳 COB LED 的显示屏模块比传统显示屏板总体成本少 30%以上 (14)。

COB (9) : 比 SMT 更小型化的封装方式。将裸片 IC 先用接着剂牢靠在 PCB 板上, 再用金线或铝线将 IC pad 与 PCB 金手指举行接合(打线), 最后涂敷黑胶、烘烤固化举行珍爱。

Fig 2.4.3 Example of LED COB Bonding (14)

Fig 2.4.4 Process Flow Comparison of SMT and COB Bonding on mini LED (22)

若是希望将 Micro LED 手艺运用在手机、平板或电视的运用场景的话, 那么其 Bonding 的形式则与上述方式存在一定的差异。

对于 VR 或者智能手表这些尺寸较小的显示屏而言, 可以直接在晶圆上制作电路和显示屏。

对于手机和电视等尺寸较大的运用场景而言, 需要先制作有 TFT 的基板, 厥后再将 Micro LED 从衬底转移到基板上。转移时, 凭证转移方式的差异, 又可以进一步划分为:

Wafer Bonding (9): 在 Wafer 上制作完图案化的 Micro LED 后, 其直接转移到有逻辑电路的基板上完成显示屏制作。由于 Wafer 尺寸等限制, 其更适合与运用在智能手表和 VR 等运用领域。

Chip Bonding (9): 先将在 Wafer 上制作好的 Micro LED 举行切割, 厥后再通过 SMT 或 COB 方式对 Micro LED 芯片举行 Bonding。该方式可以用在 Micro LED Wall 等大尺寸运用场景上。由于 SMT 和 COB 在芯片尺寸上的限制, 用该方式制作的 Micro LED 在尺寸上更趋近于 Mini LED 的局限, 且其并不能适用于手机和平板的运用场景的需要。

Media/thin film Bonding: 用薄膜等方式举行转印和 Bonding。和 Chip Bonding 的方式差异, 在该模式下不需要损坏原有的晶圆基板, 而 Micro LED 可以通过激光等方式从生长的晶圆上剥离。由此可见, 由于晶圆可以再次行使, 以是该方式的生产成本和 Chip Bonding 相比理论上会更为低廉。

Table 2.3 Wafer/Chip/Media 等 Bonding 形式对比 (15)

(a): 理论上在接纳 COB 等形式 Bonding 时 , 其间距有一定限制。估现阶段以为其暂时较合适用于 Display Wall 的制作

Fig 2.4.5 Bonding in Short (1)(7)

转印后, 再凭证 Micro LED 芯片和目的基板 Bonding 中使用的质料差异, 其手艺可以又可以详细分为:

Metal Bonding(7): 该 Bonding 方式可以适用于 Flip Chip 等 Micro LED 器件的 Bonding。该 Bonding 方式的瑕玷是若是在较高的温度下 Bonding 则有可能对 Micro LED 举行损伤, 而若是在较低的温度下 Bonding, 则由于接纳大量有数金属的缘故, 其制作成本会较高。Metal Bonding 主要有 2 种制作方式:

锡膏焊接: 对于 Mini LED 可以接纳焊接方式来举行制作, 一样平常可以用焊锡方式来举行焊接。

共晶: 共晶方式主要用在 Flip Chip 型 LED 上。当接纳该方式在举行 Bonding 时, 其金属接触部门接纳 Sn 或 Au-Sn 合金制作。当基板加热到合适的共晶温度时, Au 或 Ag 元素渗透到Sn 或 Au-Sn 合金当中如(Au 80 Sn 20 wt%层)。随着合金因素比的改变, 其熔点也发生转变, 从而是的共晶层固化且把 LED 芯片牢靠在基板上。共晶温度由芯片底表金属质料的耐热水平而决议。在接纳共晶方式举行 Bonding 时, 其手艺的要害是共晶质料的选择和温度的控制。凭证共晶方式的差异, 其又可以继续分为助焊剂共晶和直接共晶。在接纳这种焊接/共晶方式举行 Bonding 时, LED 需要制作金属的焊接层, 如 Cu/Ni/Au、Cu/Sn 和 Cu /Sn/Cu 等。

Fig 2.4.6 Example of Cu/Sn/Cu bonding layer in vertical LED chip

Fig 2.4.7 共晶示例

Adhesive Bonding (7) : 该方式对照常见的 Bonding 质料是 ACF。然则随着 Micro LED 尺寸的逐步减小, ACF Bonding 方式则逐步出现出一定的局限性。由于 ACF 结构的限制, ACF Bonding无法有用应对小尺寸的 Micro LED Bonding 需求。随着手艺的进一步生长和新质料的开发, lep 手艺也被逐渐开提议来。lep 是一种类似 ACF 的白色胶体, 主要用于 bonding 和削减光的损失。在 lep 内部内部亦有类似与 ACF 的导电粒子的存在。(***待求证: ACF for micro LED; LEP for mini LED***)

Micro Tube Bonding. (7): 该 Bonding 方式由 Leti 提出。可以用于 10 μm 左右的器件 Bonding 使用。Micro Tube 作为 Bonding 的前言, 可以同时提供电学和力学 Bonding 的只用。同时该结构既可以生长在 Micro LED 上, 又可以生长在 TFT 上以削减 TFT 端的制作难度(30) 。

Fig 2.4.8 Example of Micro LED bonding with Micro Tubes (30)

3

Structure of Micro LED

3.1Bandgap, Color & PN Junctio

Micro LED 中发光颜色和半波宽等系数和发光区域能带间隙有关。波长和能带间隙的关系可以下列公式得出: :

其中 h 为普朗克常量; c 为光速。

对于常见颜色来说, 其波长和能量如下表所示 (19) 。

Table 3.1.1 Example of Wavelength & Energy & Color of RGB (19)

对于无机质料而言, 能带间隙取决于质料组成和晶体结构, 对于常见的 LED 质料而言, 其半导体能带、质料和能带的关系如下图所示 (20) 。

Table 3.1.2 Example of Wavelength & Bandgap & Color in Common LED Device (20)

在接纳侧延生长方式制作 Micro LED 时代时, 为了阻止原子形成晶苞之间 Grain Dislocation 等缺陷的存在, 其参杂的质料和生长基板间需要:

相同的晶体结构。

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晶体晶格类似(Lattice Parameter)。

而无机质料的能带间隙又和质料的因素组成和晶体结构相联系。以是在 Micro LED 生长时, 需要通过对质料因素的调整来到达合适晶体结构和能带间隙 (1) 。

Fig 3.1.1 Example of Bandgap & Material Composition & Lattice Parameter (21)

可见对于红绿蓝的 LED, 其生长衬底可以划分选择为 GaAs、GaP 和 SiC 衬底来举行制作, 而白光的 LED 可以用 GaN 晶圆来举行制作。GaAs、GaP 和 SiC (3C SiC 为 Zinc Blende, 而 4H 和 6HSiC 为 Hexagonal 结构) 为 Zincblende 晶体结构, 而 GaN 为 Wurtzite 晶体结构(一样平常为 GaN on Si 晶圆)。无论是在哪种衬底上举行生长, 为了保证器件的有序和完整, 其生长偏向都需要尽可能地沿着质料的慎密排列偏向举行(Close Packing Direction)。

Table 3.1.3 Common Wafers in Semiconductor Industry (24)

除去半导体的能带间隙数值意外, 在制作半导体器件时还需要注重的是其半导体能带间隙类型。

对于 Direct Band Gap 的质料而言, 其空穴和电子相连系的历程中发生是光子(Photon)。

对于 Indirect Band Gap 型质料, 由于去 VB 和 CB 能带最低和最高点不在统一偏向, 以是空穴和电子在连系是发生声子(Phonon)。声子的发生随同着热。以是该类型时代的内部量子效率偏低、发光有一定迟滞, 且随同着热量的发生。

那么理论上对于常见的几个 LED 衬底而言, 可见 GaP、AlGaP 和 SiC 等质料的为 Indirect Band Gap 质料。而 GaN 和 GaAs 为 Direct Band Gap 质料。Band Gap 的结构也会随着参杂的水平的改变而发生转变。例如 GaAs 向 AlAs 太过中其晶体能带间隙就逐渐从 Direct Band Gap 向 Indirect Band Gap 举行转变。

p-n 结是 LED 发光的焦点结构。与 OLED 等其他自放光器件类似, 在 LED 中电子(e)和空穴(h)在 p-n 结中连系后发出光子发光。由于电子(e)和空穴(h)的浓度和传输速率存在一定的差异, 为了保证在 Micro LED 在事情时空穴或电子不会跃过 p-n 结而在非发光区域举行连系, 在现实器件中会加入 Hetero-Junction 结构对载流子的流动举行限制, 从而使得其载流子只能在牢靠能级的 Hetero-Junction 内举行连系并发出特定波长的光 (1)。

Fig 3.1.2 Heterojunction in Micro LED (1)

Fig 3.1.3 Examples of Typical Structure of Micro LED on Sapphire Wafer (1)

3.1.1 Case Study: More on GaN substrate

如前文所示, GaN 可以作为生产 Micro LED 的基板。一样平常的 GaN 基板需要在其余衬底上生长而来, 并凭证生长衬底的差异可以进一步分为 GaN on Si 和 GaN on Sapphire。

GaN on Si 价钱较为昂贵且衬底结构较为庞大。其主要缘故原由是由于 (29) :

GaN 和 Si 的晶格常数有 17%的差异, 这些差异容易导致 GaN 外面发生缺陷。

GaN 和 Si 热膨胀系数差异较大(CTE 有 57%的差异)。

以上的影响因素再加上制作工艺的影响导致了 GaN on Si 的制作工艺庞大和良率较低等问题, 并堆高了售价。

在工业上对该方案的解决思绪是通过加入差其余 buffer 层来削减 GaN 和 Si 之间的晶格差异以及 CTE 差异 (29) 。

Fig 3.1.4 Examples of GaN on Si (29)

3.2 Chip Structure: Vertical, Flip Chip & Nanowire

凭证 Micro LED 结构的差异, Micro LED 可以再进一步细分为:

Vertical (5) : Vertical 结构中存在的问题是其电极由于不在一个外面上, 以是在手机等运用场景中其 Bonding 较为难题。

Face Up Chip (12): Face Up 芯片为 LED 正装芯片是最早泛起的芯片结构, 也是小功率芯片中普遍使用的芯片结构。该结构, 电极在上方, 从上至下质料为: P-GaN, 发光层, N-GaN, 衬底。以是, 相对倒装来说就是正装。随着 Micro LED 芯片运用场对 Bonding 区域区间的要求越来越小且由于芯片尺寸也逐步削减, 留给正装芯片的引线布线空间可能不足。

Flip Chip (5) (12) : 该类型芯片是为了阻止正装芯片中因电极挤占发光面积从而影响发光效率, 而对正装芯片举行倒置。从而使得使发光层引发出的光直接从电极的另一面发出(衬底最终被剥去, 芯片质料是透明的), 同时, 针对倒装设计出利便 LED 封装厂焊线的结构, 从而, 整个芯片称为倒装芯片(Flip Chip), 该结构在大功率芯片较多用到。覆晶固晶机(Flip Chip Bonder)的周详度是±1.5μm(每次移转为单一芯片)(16) 。

Nanowire 3D 结构 (1) (5) (7)。Nanowire 3D 结构一样平常在制作工艺如下:

先接纳 Sapphire 基板并优先的生长 n-GaN。

制作 Mask 举行笼罩且使得 n-GaN 只能沿着某一个特定偏向举行生长。

当 n-GaN 发展知足需求时, 再举行 p-GaN 的制作以在外面形成 p-n 结。为了阻止载流子的溢出, 可以在 p-n 结中加入 InGaN 激活层。

Vertical 和 Flip Chip 制作工艺相对而言较为简朴, 然则随着 Micro LED 尺寸的下降(< 3 μm) 其会发生 light Decay和 edge leakage (7)。于此同时, Nanowire 3D 结构虽然制作工艺较为庞大, 然则其

在尺寸缩小的情形下发光面积依然较大, 以是其光效会更优 (7) 。

除去以上结构外, 另有 Face up chip 结构。该结构和 Flip Chip 结构相比, 其需要 Wire Bonding。由于 Bonding 需要区域较大, 其芯片尺寸一样平常大于 200 μm(属于 Mini LED 局限) (9)。

Fig 3.2.1 Face Up Flip Chip, Vertical and Nanowire Structure Mini/Micro LED (2)(9)

Fig 3.2.2 Comparison between Face Up Chip & Flip Chip (9)

Fig 3.2.3 Examples of bonding in Face Up Chip and Vertical Micro LED (1)

若是 Micro LED 芯片其拥有衬底且出光在衬底反偏向时, 为了增添出光度, 需要在衬底底部制作反射图案。以用 Sapphire 衬 *** 作 Face Up Chip Micro LED 为例, 为了增添其在特定偏向上的出光。一样平常需要在玻璃衬底上制作图案以增添出光率(PPS: Pattern Sapphire Substrate)。厥后通过多次外延生长、成膜和光刻的方式形成芯片图案。

Fig 3.2.4 PSS on substrate (1)

Fig 3.2.5 Processing Flow of Face Up Chip (5)

传统的 LED 显示屏在芯片切割完毕后, 直接对整颗 LED 灯珠举行封装, 驱动电路与芯片正负极毗邻, 驱动封装好的灯珠; 而 Micro LED 在光刻步骤后, 并不会直接封装, 这是由于封装质料会增大灯珠体积, 无法实现灯珠间的微距。需要将 LED 裸芯片颗粒直接从蓝宝石基板转移到硅基板上, 将灯珠电极直接与基板相连。

3.3 Micro LED with color conversion

若是单独制作 RGB 三色的 Micro LED 并举行巨量转移, 其制程庞大且良率较低。为了获得更好的良率和转移效率, 不少公司最先实验用蓝色 Micro LED + Color conversion 的方式来举行制作MIceo LED 显示器。其基本思绪是用蓝光的 Micro LED 举行发光, 厥后通过色转换层举行转换从而实现分色效果。色转换层可以是通俗的 CF, 也可以是量子点。

当接纳量子点制作时, 有种种差其余思绪和制作方式。最为通例的做法是同光刻的形式来划分制作 RG 两色的 QD 层并放置于蓝色 Micro LED 上方。若是接纳该方式来举行制作, 其制程庞大且质料虚耗较大。小我私人以为进入消费者市场存在一定的难度。

另外一种思绪是用蓝光引发夹杂发光层+通例 CF 的方式来举行发光, 该方式从理论上说更为可行。然则发光所穿过功效层较多, 则屏幕亮度等参数会受到一定影响。

4

Limitations and Defects

Micro LED 和其余显示手艺相比在现阶段照样存在不少问题, 好比在弱电流下的发光效率等。住手到 2018 年, 常见的 Micro LED Display 制作中存在的挑战有: (6)

Efficiency下降很大, 尤其 Red。

Transfer 问题:

Chip 太小、太薄。现在 tool 无法 handle。

巨量转移: 量太多, 现在速率不合适。

Yield: Chip * transfer: 99.999% * 99.999% ~ 20 PPM

Repair: Redundancy修复时间过长。

平均性、大尺寸 wafer 6” → 8”。

Defect

4.1 Side-wall Effect(10)

当 Micro LED 尺寸下降到一定的局限后(稀奇是 10 μm 以下), 其更容易从 LED 边缘漏出, 从而形成 Side wall Effect/Edge Leakage。Side wall Effect 会导致 Micro LED EQE 的下降。随着边缘出光的比重提高, 需要对 Micro LED 边缘举行一定的处置 (10)。一种处置方式是仅对器件中部举行电流注入而在边缘保持 3μm 左右的缓冲区域(17), 从而阻止 Sidewall 征象的发生。

Fig 4.1.1 Example of Side-wall Effect (10)

Fig 4.1.2 Influence of Side wall Effect (10)

4.2 Micro LED Repair Solution

有缺陷的 Micro LED 芯片可以通过 UV 光照等方式举行识别 (Photo Luminescence)。通过 UV 光照射, Micro LED 芯片的对比度和波长差异可以通过装备网络并剖析, 从而在后续的数据剖析中将有缺陷的 Micro LED 芯片筛选出。

在发现有缺陷的 Micro LED 芯片后, 需要将该芯片 De-bonding、然后整理清洁 Bonding 区域、重新选取及格芯片再重新 Bonding。PL 方式可以对尺寸较大的 Micro LED 芯片的划痕、缺角和裂痕的缺陷举行识别。然则当 Micro LED 芯片尺寸下降到 50 μm 以下时, PL 方式则很难发现种种缺陷。在此种情形下, Toray 接纳 EL 的方式举行识别。

在 EL 模式下, 每个 Micro LED 芯片会有一个 Primary 电路和一个 Redundancy电路。在一样平常情形下 Redundant 电路并不会被开启。当 Micro LED 芯片在 Primary 电路下点亮并被发现存在缺陷时, 其会将信号转达给 IC 芯片, 从而 Redundant 电路被开启。

Fig 4.2.1 Example of EL (7)

为了更有用的削减修复的时间, Yole 在 2018 年提出一种新的解决方案。该方案的基本原理是在 Micro LED 举行 Bonding 时, 其对于单个功效区域一次性 Bonding 2 个 Micro LED 芯片。好比对于单一像素内的 R、G 和 B 三子像素内做 2 个 R Micro LED、2 个 G Micro LED 和 2 个 B Micro LED, 且在现实使用中每个子像素内只点亮 1 个 Micro LED 芯片。这么做的优点是在后续检测中若是发现单一像素内存在故障或损坏的 Micro LED, 可以通过断开其链接电极的方式来举行修复以到达削减修复时间的目的。(若是转移良率很高且不存在坏点, 该方式还存在可以在接纳 PWM 调灰度时削减眼部压力的可能性。)

然则该方式也存在其瑕玷:

转移时间变长。虽然修复的时间变短, 然则为了实现统一分辨率屏幕的制作, 其需要转移 2×于子像素数目的 Micro LED 芯片。由此其前端制作成本会较高, 同时其制作时间也较长。

Yole 现阶段展示的手艺用于 Vertical Micro LED 结构, 至于去是否能够用于 Flip 型 Micro LED 还需要进一步探讨。

Fig 4.2.2 Example of Yole’s Approach to reduce Redundant (26)

4.3 Weak Current

Micro LED 与 OLED 类似, 都是电流驱动型的器件。除去以上列出的挑战外, Micro LED 在 TV 市场的运用还存在 Weak Current 驱动的障碍。若思量到子像素的数目的话, 一个 FHD 的显示屏上

存在上百万颗子像素点。若是这几百万的子像素点在通例操作电流下举行点亮(10 μA~ 100 μA), 则面板的亮度会过高。然则若是通过接纳降低操作电流的方式来控制亮度, 那么则存在操作电流亮渡过低的问题 (17)。

凭证 Mikro Mesa 董事长陈立宜的假设 (17), 一个 55” FHD 的 Micro LED 电视若是其最大功耗是 18 W, 则其亮度介于 600 ~ 1500 nit(与 外部量子效率和 内部量子效率有关)。若是该器件的电压 = 3, 则其每个子像素的驱动电流为:

依托上述盘算效果来模拟 Micro LED 芯片巨细后, 则有(假设 Total Current 为 6 A):

可见, 若是 Micro LED 芯片尺寸跨越 50 μm × 50 μm 时, 用在大尺寸电视场景中其亮度为了保持 1000nit 以下, 其去操作电流会远小于 1A/cm 2 。 (17)

对于一样平常的 LED 来说, 当电流密度在 1 ~ 100 A/cm 2 是其有较高的量子效率。若是驱动电流过低, 则时代容易收到 Surface State 外面态、Deep Level 和 Defects 等影响造成器件可靠度下降和显示效果降低等问题 (17) 。从下图来看, LED 的理想操作电流在 5 ~ 100 A/cm 2 之间(Micro LED 有很高的动态发光局限优点)。

Fig 4.3.1 Current Density v.s. η IQE (18)

Fig 4.3.2 Micro LED I-V 曲线 (17)

Fig 4.3.3 Micro LED I-V 理想驱动电流区域 (17)

其中一种解决方案是仅仅对 Micro LED 中央部门举行高密度电流注入并将发光区域限制到 3 μm × 3 μm。通过这种注入方式可以在提高电流密度的同时, 控制器件的发灼烁度。由于其发光区域和边缘有大于 3 μm 的间隙, 以是 Sidewall 漏光问题也能获得较好的解决。

First Approach

Second Approach

Fig 4.3.4 Example of Current Injection Zone Design from Mikro Mesa (17)

4.4 Heating Issue (Under C)

可能导致 LED 过热的问题的原由于:

内部量子效率问题: 内部量子效率不高的缘故原由之一是电子和空穴复适时不能 100%的发生光子(通过声子发生热)。

外部量子效率问题: 内部发生的光子无法所有射出到芯片外部, 从而在内部举行转化从而发生热。(主要缘故原由之一)。

随着温度的升高, LED 的寿命会下降。

声明:转载请向作者申请授权,未经允许私自使用者,将追究其执法责任。

Reference

1. Ioannis John Kymissis, Fundamental of Micro LED Displays, SID 2018 (2018)

2. 张嘉弘, 从背光到自觉光: Micro LED 的未来展望, Cinno Research

3. MOCVD, 百度百科

4. MBE(分子束外延), 百度百科

5. 天风证券, Micro LED 点亮新一代显示手艺, Wechat

6. Epistar, Innovative LED Technologies for Applications of Next-generation Display (2017)

7. ITRI, Micro LED 手艺、应用与未来生长趋势 (2017)

8. TrendForce, LEDinside, Micro LED Next Generation Display Technology Report 1Q 18 (2018)

9. 最终显示手艺 Micro LED, CTimes (2018)

10. LED 的微缩化之路, Snow Intelligence (2018)

11. Francois J. Henley, Materials, Process and Production Equipment Considerations to Achieve High-Yield MicroLED Mass-Production, QMAT (2018)

12. LED 倒装芯片知识 360 度剖析, 中华显示网,

13. BOE 知识酷, 三星、LG 发力 Micro LED, 它难点在哪?又有哪些阵营在研究呢?, WeChat,

14. BOE 知识酷, 从直插到 Micro LED 显示器件封装生长趋势, WeChat

15. LEDinside of TrendForce Corp, Micro LED 历史、现况、原理制程及企业战力剖析,

16. MicroDisplay, Micro-LED 显示手艺市场空间测算及最新结构希望, WeChat

17. 陈立宜, CEO from Mikro Mesa, MicroLED Display Industrial Prospective, International Micro LED Display Conference (2017)

18. Aurélien David and Michael J. Grundmann, Philips Lumileds Lighting Company, Influence of polarization fields on carrier lifetime and recombination rates in InGaN-based light-emitting diodes, Apply

Physics Letters, 97, 033501

19. Kimberly Edwards, Chem 2LA, Chem 2L Majors & Honors General Chemistry Lab, )

20. Light Emitting Diode, AEROCHAPTER

21. Christian-Albrechts-University zu Kiel, 5.1.4 Wavelength Engineering

22. HC SemiTek, Mini LED 的 COB 封装形式, 行家 Point ·Mini LED 研究及商业化钻研会(2018)

23. Kulicke & Soffa | Technology, Technology Involved, 行家 Point ·Mini LED 研究及商业化钻研会(2018)

24. Semiconductor Wafer, Inc

25. Coherent, 激光让未来更具柔性, DIC 2018 (2018)

26. Dr. Zine Bouhamri, Yole Development, Micro LED is not ready yet but is progressing on all fronts, iMiD 2018 (2018)

27. Dong S. Lee, QMAT Inc, Engineered EPI-Ready Substrate Enabling Novel Test and Mass-Transfer for Micro LED Display Mass-Production, iMiD 2018 (2018)

28. Xinbo Zou; XuZhang and others, Vertical LEDs on Rigid and Flexible Substrates Using GaN-on-Si Epilayers and Au-Free Bonding, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol 63, Issue 4, Pp 1587 (2016)

29. Plessey, GaN on Silicon Platform for Micro LEDs, 2nd International Micro LED Summit (2018)

30. Leti, Challenges for High-Performance GaN MicroLED Displays, 2nd International Micro LED Summit (2018)

31. Eric Virey, Yole Developpement, Status of the Micro Led industry, SID 2019 (2019)

32. Fangwang Gou & etc, University of Central Florida & AUO, High Efficiency Color-Converted Micro-LED Displays, SID 2019 (2019)

33. F. Templier, Grenoble Université Alpes, A New Approach for Fabricating High-Performance MicroLED Displays, SID 2019 (2019)

34. Francois J. Henley, Tesoro Scientific, Inc, Evaluating In-Process Test Compatibility of Proposed Mass-Transfer Technologies to Achieve Efficient, High-Yield MicroLED Mass-Production, SID 2019 (2019)

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1条评论
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