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網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，如有問題聯(lián)系刪除！謝謝！ 深度解析！關(guān)于Micro LED是時候了解下這些了....... 2019-07-02 · OLED industry 1 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 的自發(fā)光 LED。其現(xiàn)有主要潛在市場是高分辨率的家用消費電子市場。 根據(jù)最終運用場景的不同, Micro LED 可以直接在 Si、GaN 或者 Sapphire 等基底上制作高分辨率顯示屏供 VR 等產(chǎn)品使用, 也可以在襯底上制作完成后通過巨量轉(zhuǎn)移的方式將 Micro LED 芯片在更大尺寸且?guī)в羞壿嬰娐返幕迳线M行組裝, 從而滿足手機和電視等大尺寸顯示屏運用場景的需求。
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 等運用場景中微小的屏幕尺寸相比, 手機、平板和電視上的屏幕尺寸較大。如果希望在這些場景中使用 Micro LED 甚至是 Mini LED, 則 LED 器件需要在基板上進行分離, 并在較大的基底上進行組裝: 在帶有驅(qū)動電路的基板上僅進行 LED 的組裝完成顯示屏幕的制作。常見的作法有將 LED 組裝到帶有 TFT 的基板上, 或分別將 LED 和驅(qū)動芯片組在玻璃等基板上組裝等。該技術(shù)因為存在較多的步驟, 其理論良率較低。 將 LED 和 CMOS 進行整合使得每個單元有自己的驅(qū)動, 其后再在較大的基底上進行組裝。該方式可以視為 Mini LED 做 Patch wall 技術(shù)的一種延伸。每個結(jié)構(gòu)單元上有自己的驅(qū)動, 理論上可以提高良率和減少后續(xù)修補工藝。
a圖
b圖 Fig 1.4 Examples of processing method in micro LED (33)
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b圖 Fig 1.5 Examples of processing method in micro LED with integrated CMOS (33) 截至到 2019 年初, 在 Micro LED Display實現(xiàn)彩色分色上也主要兩種主要的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計思路: 直接 RGB 分色 Micro LED 屏幕: 在該器件中, 分別采用 R、G 和 B 三種顏色的 Micro LED 來形成像素。 Micro LED 藍光 + 色轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu): 在該結(jié)構(gòu)中, 其主要思路是由藍色 Micro LED 發(fā)光激發(fā)對應(yīng)的 R 和 G 色轉(zhuǎn)換層來完成彩色的顯示。
Fig 1.6 Example of processing method in Micro LED + color conversion (31) 常規(guī)的 Display還是以玻璃基板+TFT 為基礎(chǔ)設(shè)計的。為了進一步提高良率并減少轉(zhuǎn)移中的損耗, Yole 提出直接制作 Micro IC 形式來對 Micro LED 顯示期間來進行憑借。其具體思路是 (31) : 直接在硅片上制作多個 IC 電路。 其后將 Micro LED Bonding 在電路上。 將帶有 Micro LED 的 IC 電路分成小片。 根據(jù)顯示屏幕需要組裝所需數(shù)量的 Micro IC 芯片。 該方法的優(yōu)點是其不需要 TFT 背板, 同時可以在 IC 代工廠里完成大部分的元件制作并有效的降低成本。 從屏幕生產(chǎn)的角度上來考慮, 工藝步數(shù)的減少可以有效的提高產(chǎn)品的良率。由此, 藍色 μLED + color conversion on CMOS 的方式存在較大的競爭優(yōu)勢。
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 因為 Micro LED 結(jié)構(gòu)中對功能層結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶取向要求較高, Micro LED 需要在高度結(jié)晶的晶圓上進行生長。與 OLED 蒸鍍有一定的相似性, 隨著晶圓尺寸的增大, Micro LED 制作的數(shù)量和效率也會增大, 但是其成膜均勻性會收到一定的影響。 Micro LED 的主要生產(chǎn)材料是 GaN (紅色的 Micro LED 用 GaAs 而其他顏色則可以用 GaN。因為 GaAs 較難制作, 所以紅色 Micro LED 價格會比其他顏色更貴), 并采取側(cè)延生長的方式在襯底上進行制作 (1) : MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition)(3) : MOCVD 是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機化合物和 V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長源材料, 以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進行氣相外延,生長各種Ⅲ-V 族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。通常 MOCVD 系統(tǒng)中的晶體生長都是在常壓或低壓(10-100Torr)下通 H2 的冷壁石英(不銹鋼)反應(yīng)室中進行,襯底溫度為 500 - 1200℃, 用直流加熱石墨基座(襯底基片在石墨基座上方), H2 通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機物到生長區(qū)。與 MBE 相比, 其生長速度快。
Fig 2.1.1 Example of MOCVD (1) MBE (Molecular Beam Epitaxy) (4) : 分子束外延是一種新的晶體生長技術(shù), 簡記為 MBE。其方法是將半導(dǎo)體襯底放置在超高真空腔體中, 和將需要生長的單晶物質(zhì)按元素的不同分別放在噴射爐中(也在腔體內(nèi))。由分別加熱到相應(yīng)溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長出極薄的(可薄至單原子層水平)單晶體和幾種物質(zhì)交替的超晶格結(jié)構(gòu)。分子束外延主要研究的是不同結(jié)構(gòu)或不同材料的晶體和超晶格的生長。該法生長溫度低, 能嚴格控制外延層的層厚組分和摻雜濃度, 但系統(tǒng)復(fù)雜, 生長速度慢, 生長面積也受到一定限制。采用 MBE 方式進行生長時, 其生長的基板需要為單晶結(jié)構(gòu)。
Fig 2.1.2 Example of MBE (1) 在生長 Micro LED 時需要用到單晶的襯底/晶圓。常用于 Micro LED 生長的晶圓有 (1) : 藍寶石襯底 SiC 襯底 GaN 襯底 從價格而言, 藍寶石沉底最便宜, 而 GaN 襯底最貴。而從器件的性能而言, GaN 襯底制作出的器件其性能更加的優(yōu)異 (1) 。 與 OLED 相比, 其兩者驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)基本相同, 但是區(qū)別是 Micro LED 可以承受更高的驅(qū)動電流(1000A/cm2 vs 10 A/cm2) (1) 。 2.2 Approaches of Making μLED: Monolithic & Chiplet Micro LED 顯示屏有幾種不同的制作形式: Monolithic: 直接在襯底上制作 Micro LED Display (單色或多色疊層的 Micro LED)。
Fig 2.2.1 Monolithic Approach on Micro LED (1) Chiplet: 在基片上制作 Micro LED 后再將 Micro LED 切為小片并在其他面板上進行組裝。該方法是現(xiàn)在較為常見的一種 Micro LED 制作方案。
Fig 2.2.2 Example of Chiplet Approach on Micro LED (1) 通過 Monolithic 方式制作的 Micro LED 顯示屏通常在基板上已經(jīng)通過半導(dǎo)體工藝制作了邏輯電路。和 Chiplet 方式制作的Micro LED 顯示屏相比, 其優(yōu)點是具有更高的分辨率且更適合用于智能手表、Hud 抬頭顯示器和 AR/VR 等運用場景。但是晶圓的尺寸限制了 Monolithic Micro LED 在大尺寸顯示場景下的運用。為了將 Micro LED 運用到顯示面積更大的環(huán)境, 如手機、電視和幕墻中,一般則采用 Chiplet 的方式來進行 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) 采用 Chiplet 方案制作 Micro LED Display的難點是如何無損的對芯片進行 De bonding/Release、Transfer、Bonding 和電極 Wire。 根據(jù)巨量轉(zhuǎn)移的方式不同, 其又可以進一步細分為不同的方法和方案: Pick & Place: 單片 Micro 的抓取與放置。采用 Pick & Place 方案時, 因為技術(shù)限制(如真空管吸取的物理極限等), 精度>30 μm 且需要 Micro LED 芯片尺寸大于 80 μm (13) /200 μm (7) 。傳統(tǒng)的Pick & Place 更加適合運用到 Mini LED 的制作中。但是順應(yīng)著該技術(shù)邏輯, 該技術(shù)進一步分化為 Fine Pick & Place 技術(shù) (13) 。 截至到 2018 年年中, 現(xiàn)有主流的 Fine Pick & Place 技術(shù)主要有三種: 1、靜電力 Static Electricity (13) : 采用具有雙極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移頭, 在轉(zhuǎn)移過程中分別施于正負電壓: Pick: 當從襯底上抓取 LED 時, 對一硅電極通正電, 由此 LED 就會吸附在轉(zhuǎn)移頭上。 Place: Place 過程需要對另外一個硅電極通負電, 從而釋放 LED 芯片。 但目前現(xiàn)況轉(zhuǎn)移設(shè)備(Pick ＆ Place)的精密度是±34μm(Multi－chipper Transfer) (16) 。 2、范德華力 Van der Waals Force (13) : 該工藝使用彈性印模(Elastomer PDMS Transfer Stamp), 結(jié)合高精度運動控制的打印頭, 利用范德華力進行 LED 芯片的抓取與放置。
Fig 2.3.2 Examples of Static Electricity Method (13)
Fig 2.3.3 Examples of Van der Waals Force Method (13) 圖片來源：X-Celeprint 3、磁力 Magnetic (13) : 在 Micro LED 制作中計入含有磁性(Morganatic)的 bonding 層, 從而通過電磁的吸附和釋放來實現(xiàn) LED 芯片的抓取和放置。
Fig 2.3.4 Example of Magnetic Micro LED (1) Selective Release (13) : 該技術(shù)中略過了 Pick 的環(huán)節(jié), 而直接在原有的襯底上將 LED 進行轉(zhuǎn)移。其技術(shù)實現(xiàn)的路徑用的比較多的方法是 LLO 技術(shù)。 LLO 技術(shù)常用與柔性 AMOLED 顯示屏技術(shù)生產(chǎn)。其基本原理是通過激光從背面照射需要 Debonding 的器件, 從而使得該部分區(qū)域和襯底脫離。當用 LLO 中的激光照射 GaN 基板上,照射處的 GaN 會分解為金屬 Ga 和 N2 (13) 。 Self-Assembly: 該技術(shù)中最為常見的是 Fluid Self Assembly技術(shù), 其主要機理是通過不會改變 Micro LED 結(jié)構(gòu)的液體中介來實現(xiàn)芯片的轉(zhuǎn)移。 Fluid Self Assembly: 在 Micro LED 制作中計入含有磁性(Morganatic)的 bonding 層, 而于此同時需要 Bonding 的基板上保留含有磁性的 Micro LED 孔洞。其后將切割后的 Micro LED和基板放置于溶液中, 并依托磁力的作用使 Micro LED 契合在對應(yīng)的基板圖案上。
Fig 2.3.5 Example of Fluid Assembly (1) Roll Printing: R2R 技術(shù)。和其他技術(shù)相比, 其理論成本更低, 但是工藝難度和挑戰(zhàn)更大。
Fig 2.3.6 Example of Roll Printing Method by Rohinni (13) 在一些 Micro LED 轉(zhuǎn)移/轉(zhuǎn)印技術(shù)中, 需要用激光方式將 Micro LED 進行 Lase Induced Forward Transfer(LIFT)。Coherent 指出通過 LIFT 技術(shù), 其每個激光 Shot 可以轉(zhuǎn)移大概 10, 000 個芯片, 從而大幅度提高 Micro LED 轉(zhuǎn)移效率 (25) 。Coherent 其在 2018 年的思路是先將 Micro LED 通過 LLO 的方式轉(zhuǎn)移到中間載體 Template 上, 其后再用 LIFT 將 Micro LED 轉(zhuǎn)移到最終的面板上。
Fig 2.3.7 Example of LLO & LIFT by Coherent 2018 (25)
Fig 2.3.7 Example of LIFT by Coherent 2018 (25) 于此同時, QMAT 在 2018 年 iMiD 會議上也展出類似技術(shù)并將其稱為 Soft LLO (27) 。與 Coherent 思路不同的是 QMAT 直接在制作 Micro LED 時在中間加入 Transfer Release Layer, 然后采用脈沖LLO 將生長有 Micro LED 的 Wafer 直接當作 Template 來用 (27) 。
Fig 2.3.8 Example of Soft LLO by QMAT 2018 (27) 無論是哪種用法方式, 都需要一定的方式來將 Micro LED 從基板上脫離, 其后使其 Bonding 在目標襯底上。根據(jù)脫離方式的不同, 可以將以上幾種巨量轉(zhuǎn)移方式進行以下歸類 (34) : Mechanical Released Carrier (MRC): 用機械力進行脫離。 Optical Released Carrier (ORC): 用激光的方式來進行脫離。 OMRC (Optical – Mechanical Released Carrier): 激光和機械力混合脫離方式。 為了保證在最后襯底上 Bonding 后器件的良率, 一般可以考慮采取 Know Good Die(KGD)的方式(34) 在 Bonding 前進行預(yù)先檢測。KGD 是一種預(yù)先檢測的方式, 在制作完 Micro LED 后直接對其器件進行預(yù)點亮并進行觀測, 由此可以發(fā)現(xiàn)有缺陷的器件。在轉(zhuǎn)移過程中利用 KGD 檢查的結(jié)果可以跳過缺陷器件, 從而理論上提高了最終成品的良率。 2.4LED/Micro LED: Bonding
Fig 2.4.1 Example of LED Bonding (14)
Table 2.2 Example of LED Bonding (14) LED Bonding 的封裝技術(shù)隨著運用場景和器件尺寸等的區(qū)別也各不相同。 Lamp: LED 芯片的直插引腳式(Lamp)最先研發(fā)成功并投放市場的 LED 產(chǎn)品, 技術(shù)成熟、品種繁多。通常支架的一端有“碗杯形”結(jié)構(gòu), 將 LED 芯片固定在“碗杯形”結(jié)構(gòu)內(nèi), 然后采用灌封封裝。灌封是先在 LED 模腔內(nèi)注入液態(tài)環(huán)氧樹脂, 然后插入壓焊好的引腳式 LED 支架并放到烘箱中讓環(huán)氧樹脂固化, 再從模腔中脫離出 LED 即成型, 成為 LED 產(chǎn)品。直插式封裝技術(shù)的制造工藝簡單、成本低, 有著較高的市場占有率。目前, 直插式引腳封裝的LED 通常是單色( 紅 色 、綠色、藍色)發(fā)光應(yīng)用于大屏幕點陣顯示、指示燈等領(lǐng)域。早期, 全彩的 LED 顯示屏是通過將紅色、綠色和藍色的 3 個或 4 個 Lamp LED 器件做為一個像素點拼接成的。近年來, RGB 三合一 Lamp LED 器件也在研發(fā)中, 以滿足高亮、高分辨、高效率拼接的要求。目前直插式 LED 主要應(yīng)用于戶外點間距在 P10 以上的大屏, 其亮度優(yōu)勢、可靠性優(yōu)勢較明顯, 但由于戶外點間距也朝著高密方向發(fā)展, 直插受限于紅綠藍 3 顆器件單獨插裝, 很難高密化, 所以在戶外點間距 P10 以下逐漸被 SMD 器件替代 (14) 。
Fig 2.4.2 Example of Lamp Bonding (14) SMT/SMD: 表貼三合一(SMD)LED 于 2002 年興起, 并逐漸占據(jù) LED 顯示屏器件的市場份額, 使得市場從引腳式封裝轉(zhuǎn)向 SMD。表貼封裝是將單個或多個 LED 芯片粘焊在帶有塑膠“杯形”外框的金屬支架上(支架外引腳分別連接 LED 芯片的 P、N 極), 再往塑膠外框內(nèi)灌封液態(tài)封裝膠, 然后高溫烘烤成型, 最后切割分離成單個表貼封裝器件。由于可以采用表面貼裝技術(shù)(SMT), 自動化程度較高。與引腳式封裝技術(shù)相比, SMD LED 的亮度、一致性、可靠性、視角、外觀等方面表現(xiàn)都良好。SMD LED 體積更小, 重量更輕, 且適合回流焊接, 尤其適合戶內(nèi)、外全彩顯示屏的應(yīng)用。SMD LED 可分為支架式 TOP LED 和片式( Chip )LED 。前者常采用 PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)支架, 后者采用 PCB 線路板作為 LED 芯片的載體。PLCC 支架成本低, 但是在應(yīng)用中存在氣密性差、散熱不良、發(fā)光不均勻和發(fā)光效率下降等問題。此外, 還有性能和光效更好的 PCT 及 EMC 材質(zhì)的支架, 但考慮到價格較貴, 暫未在 LED 顯示屏器件上廣泛應(yīng)用。SMD LED 器件封裝尺寸具有一定的局限性。當封裝尺寸往 0808 更小尺寸封裝發(fā)展時, 封裝的工藝難度急劇增大, 良率下降, 導(dǎo)致成本增加。這主要是受限于固晶、焊線、劃片(沖切)、焊線的設(shè)備精度等因素。另外, 在終端應(yīng)用的成本也會增加, 主要體現(xiàn)在貼裝設(shè)備的精度、貼裝效率等 (14) 。 SMT (9) : 表面貼裝電子元件技術(shù), 是 LCD 驅(qū)動線路板的制造工藝之一。主要流程為印錫膏、貼元件、回流焊?？煽啃暂^高, 但體積大、成本高。
Fig 2.4.3 Example of SMD Bonding (14) COB: 板上封裝(Chip on Board 是一種將多顆 LED 芯片直接安裝在散熱 PCB 基板上來直接導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)。COB 集成封裝不但能夠減少支架成本和簡化 LED 屏制造工藝, 還可以降低芯片熱阻, 實現(xiàn)高密度封裝。選用 COB 封裝的 LED 顯示屏在一定程度上擴展了器件的散熱面積, 從而讓產(chǎn)生的熱量更為容易擴散到外界。成本上, 與傳統(tǒng)的封裝方式相比, COB LED 顯示模塊在實際應(yīng)用中能夠節(jié)省器件的封裝成本。在相同功能的顯示屏系統(tǒng)中, 采用 COB LED 的顯示屏模塊比傳統(tǒng)顯示屏板總體成本少 30%以上 (14) 。 COB (9) : 比 SMT 更小型化的封裝方式。將裸片 IC 先用接著劑固定在 PCB 板上, 再用金線或鋁線將 IC pad 與 PCB 金手指進行接合(打線), 最后涂敷黑膠、烘烤固化進行保護。
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) 如果希望將 Micro LED 技術(shù)運用在手機、平板或電視的運用場景的話, 那么其 Bonding 的形式則與上述方法存在一定的差異。 對于 VR 或者智能手表這些尺寸較小的顯示屏而言, 可以直接在晶圓上制作電路和顯示屏。 對于手機和電視等尺寸較大的運用場景而言, 需要先制作有 TFT 的基板, 其后再將 Micro LED 從襯底轉(zhuǎn)移到基板上。轉(zhuǎn)移時, 根據(jù)轉(zhuǎn)移方式的不同, 又可以進一步劃分為: Wafer Bonding (9) : 在 Wafer 上制作完圖案化的 Micro LED 后, 其直接轉(zhuǎn)移到有邏輯電路的基板上完成顯示屏制作。因為 Wafer 尺寸等限制, 其更適合與運用在智能手表和 VR 等運用領(lǐng)域。 Chip Bonding (9) : 先將在 Wafer 上制作好的 Micro LED 進行切割, 其后再通過 SMT 或 COB 方式對 Micro LED 芯片進行 Bonding。該方式可以用在 Micro LED Wall 等大尺寸運用場景上。因為 SMT 和 COB 在芯片尺寸上的限制, 用該方式制作的 Micro LED 在尺寸上更趨近于 Mini LED 的范疇, 且其并不能適用于手機和平板的運用場景的需要。 Media/thin film Bonding: 用薄膜等方式進行轉(zhuǎn)印和 Bonding。和 Chip Bonding 的方式不同, 在該模式下不需要破壞原有的晶圓基板, 而 Micro LED 可以通過激光等方式從生長的晶圓上剝離。由此可見, 由于晶圓可以再次利用, 所以該方式的生產(chǎn)成本和 Chip Bonding 相比理論上會更為低廉。 Table 2.3 Wafer/Chip/Media 等 Bonding 形式對比 (15)
(a): 理論上在采取 COB 等形式 Bonding 時 , 其間距有一定限制。估現(xiàn)階段認為其暫時較合適用于 Display Wall 的制作
Fig 2.4.5 Bonding in Short (1)(7) 轉(zhuǎn)印后, 再根據(jù) Micro LED 芯片和目標基板 Bonding 中使用的材料不同, 其技術(shù)可以又可以具體分為: Metal Bonding(7) : 該 Bonding 方式可以適用于 Flip Chip 等 Micro LED 器件的 Bonding。該 Bonding 方式的缺點是如果在較高的溫度下 Bonding 則有可能對 Micro LED 進行損傷, 而如果在較低的溫度下 Bonding, 則因為采用大量稀有金屬的緣故, 其制作成本會較高。Metal Bonding 主要有 2 種制作方式: 錫膏焊接: 對于 Mini LED 可以采用焊接方式來進行制作, 一般可以用焊錫方式來進行焊接。 共晶: 共晶方式主要用在 Flip Chip 型 LED 上。當采用該方式在進行 Bonding 時, 其金屬接觸部分采用 Sn 或 Au-Sn 合金制作。當基板加熱到合適的共晶溫度時, Au 或 Ag 元素滲透到Sn 或 Au-Sn 合金當中如(Au 80 Sn 20 wt%層)。隨著合金成分比的改變, 其熔點也發(fā)生變化, 從而是的共晶層固化且把 LED 芯片固定在基板上。共晶溫度由芯片底表金屬材料的耐熱程度而決定。在采用共晶方式進行 Bonding 時, 其技術(shù)的關(guān)鍵是共晶材料的選擇和溫度的控制。根據(jù)共晶方式的不同, 其又可以繼續(xù)分為助焊劑共晶和直接共晶。在采用這種焊接/共晶方式進行 Bonding 時, LED 需要制作金屬的焊接層, 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) : 該方式比較常見的 Bonding 材料是 ACF。但是隨著 Micro LED 尺寸的逐步減小, ACF Bonding 方式則逐步呈現(xiàn)出一定的局限性。因為 ACF 結(jié)構(gòu)的限制, ACF Bonding無法有效應(yīng)對小尺寸的 Micro LED Bonding 需求。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展和新材料的開發(fā), lep 技術(shù)也被逐漸開發(fā)起來。lep 是一種類似 ACF 的白色膠體, 主要用于 bonding 和減少光的損失。在 lep 內(nèi)部內(nèi)部亦有類似與 ACF 的導(dǎo)電粒子的存在。(***待求證: ACF for micro LED; LEP for mini LED***) Micro Tube Bonding. (7) : 該 Bonding 方式由 Leti 提出。可以用于 10 μm 左右的器件 Bonding 使用。Micro Tube 作為 Bonding 的媒介, 可以同時提供電學和力學 Bonding 的只用。同時該結(jié)構(gòu)既可以生長在 Micro LED 上, 又可以生長在 TFT 上以減少 TFT 端的制作難度 (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 中發(fā)光顏色和半波寬等系數(shù)和發(fā)光區(qū)域能帶間隙有關(guān)。波長和能帶間隙的關(guān)系可以下列公式得出: :
其中 h 為普朗克常量; c 為光速。 對于常見顏色來說, 其波長和能量如下表所示 (19) 。
Table 3.1.1 Example of Wavelength & Energy & Color of RGB (19) 對于無機材料而言, 能帶間隙取決于材料組成和晶體結(jié)構(gòu), 對于常見的 LED 材料而言, 其半導(dǎo)體能帶、材料和能帶的關(guān)系如下圖所示 (20) 。
Table 3.1.2 Example of Wavelength & Bandgap & Color in Common LED Device (20) 在采取側(cè)延生長方式制作 Micro LED 期間時, 為了避免原子形成晶苞之間 Grain Dislocation 等缺陷的存在, 其參雜的材料和生長基板間需要: 相同的晶體結(jié)構(gòu)。 晶體晶格類似(Lattice Parameter)。 而無機材料的能帶間隙又和材料的成分組成和晶體結(jié)構(gòu)相聯(lián)系。所以在 Micro LED 生長時, 需要通過對材料成分的調(diào)整來達到合適晶體結(jié)構(gòu)和能帶間隙 (1) 。
Fig 3.1.1 Example of Bandgap & Material Composition & Lattice Parameter (21) 可見對于紅綠藍的 LED, 其生長襯底可以分別選擇為 GaAs、GaP 和 SiC 襯底來進行制作, 而白光的 LED 可以用 GaN 晶圓來進行制作。GaAs、GaP 和 SiC (3C SiC 為 Zinc Blende, 而 4H 和 6HSiC 為 Hexagonal 結(jié)構(gòu)) 為 Zincblende 晶體結(jié)構(gòu), 而 GaN 為 Wurtzite 晶體結(jié)構(gòu)(一般為 GaN on Si 晶圓)。無論是在哪種襯底上進行生長, 為了保證器件的有序和完整, 其生長方向都需要盡可能地沿著材料的緊密排列方向進行(Close Packing Direction)。 Table 3.1.3 Common Wafers in Semiconductor Industry (24)
除去半導(dǎo)體的能帶間隙數(shù)值意外, 在制作半導(dǎo)體器件時還需要注意的是其半導(dǎo)體能帶間隙類型。 對于 Direct Band Gap 的材料而言, 其空穴和電子相結(jié)合的過程中產(chǎn)生是光子(Photon)。 對于 Indirect Band Gap 型材料, 因為去 VB 和 CB 能帶最低和最高點不在統(tǒng)一方向, 所以空穴和電子在結(jié)合是產(chǎn)生聲子(Phonon)。聲子的產(chǎn)生伴隨著熱。所以該類型期間的內(nèi)部量子效率偏低、發(fā)光有一定遲滯, 且伴隨著熱量的產(chǎn)生。 那么理論上對于常見的幾個 LED 襯底而言, 可見 GaP、AlGaP 和 SiC 等材料的為 Indirect Band Gap 材料。而 GaN 和 GaAs 為 Direct Band Gap 材料。Band Gap 的結(jié)構(gòu)也會隨著參雜的程度的改變而產(chǎn)生變化。例如 GaAs 向 AlAs 過度中其晶體能帶間隙就逐漸從 Direct Band Gap 向 Indirect Band Gap 進行變化。 p-n 結(jié)是 LED 發(fā)光的核心結(jié)構(gòu)。與 OLED 等其他自放光器件類似, 在 LED 中電子(e)和空穴(h)在 p-n 結(jié)中結(jié)合后發(fā)出光子發(fā)光。因為電子(e)和空穴(h)的濃度和傳輸速度存在一定的差異, 為了保證在 Micro LED 在工作時空穴或電子不會躍過 p-n 結(jié)而在非發(fā)光區(qū)域進行結(jié)合, 在實際器件中會加入 Hetero-Junction 結(jié)構(gòu)對載流子的流動進行限制, 從而使得其載流子只能在固定能級的 Hetero-Junction 內(nèi)進行結(jié)合并發(fā)出特定波長的光 (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 可以作為生產(chǎn) Micro LED 的基板。一般的 GaN 基板需要在別的襯底上生長而來, 并根據(jù)生長襯底的不同可以進一步分為 GaN on Si 和 GaN on Sapphire。 GaN on Si 價格較為昂貴且襯底結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。其主要原因是因為 (29) : GaN 和 Si 的晶格常數(shù)有 17%的差異, 這些差異容易導(dǎo)致 GaN 表面產(chǎn)生缺陷。 GaN 和 Si 熱膨脹系數(shù)差異較大(CTE 有 57%的差異)。 以上的影響因素再加上制作工藝的影響導(dǎo)致了 GaN on Si 的制作工藝復(fù)雜和良率較低等問題, 并堆高了售價。 在工業(yè)上對該方案的解決思路是通過加入不同的 buffer 層來減少 GaN 和 Si 之間的晶格差異以及 CTE 差異 (29) 。
Fig 3.1.4 Examples of GaN on Si (29) 3.2 Chip Structure: Vertical, Flip Chip & Nanowire 根據(jù) Micro LED 結(jié)構(gòu)的不同, Micro LED 可以再進一步細分為: Vertical (5) : Vertical 結(jié)構(gòu)中存在的問題是其電極因為不在一個表面上, 所以在手機等運用場景中其 Bonding 較為困難。 Face Up Chip (12) : Face Up 芯片為 LED 正裝芯片是最早出現(xiàn)的芯片結(jié)構(gòu), 也是小功率芯片中普遍使用的芯片結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu), 電極在上方, 從上至下材料為: P-GaN, 發(fā)光層, N-GaN, 襯底。所以, 相對倒裝來說就是正裝。隨著 Micro LED 芯片運用場對 Bonding 區(qū)域區(qū)間的要求越來越小且由于芯片尺寸也逐步減少, 留給正裝芯片的引線布線空間可能不足。 Flip Chip (5) (12) : 該類型芯片是為了避免正裝芯片中因電極擠占發(fā)光面積從而影響發(fā)光效率, 而對正裝芯片進行倒置。從而使得使發(fā)光層激發(fā)出的光直接從電極的另一面發(fā)出(襯底最終被剝?nèi)? 芯片材料是透明的), 同時, 針對倒裝設(shè)計出方便 LED 封裝廠焊線的結(jié)構(gòu), 從而, 整個芯片稱為倒裝芯片(Flip Chip), 該結(jié)構(gòu)在大功率芯片較多用到。覆晶固晶機(Flip Chip Bonder)的精密度是±1.5μm(每次移轉(zhuǎn)為單一芯片) (16) 。 Nanowire 3D 結(jié)構(gòu) (1) (5) (7) 。Nanowire 3D 結(jié)構(gòu)一般在制作工藝如下: 先采用 Sapphire 基板并優(yōu)先的生長 n-GaN。 制作 Mask 進行覆蓋且使得 n-GaN 只能沿著某一個特定方向進行生長。 當 n-GaN 成長滿足需求時, 再進行 p-GaN 的制作以在表面形成 p-n 結(jié)。為了避免載流子的溢出, 可以在 p-n 結(jié)中加入 InGaN 激活層。 Vertical 和 Flip Chip 制作工藝相對而言較為簡單, 但是隨著 Micro LED 尺寸的下降(< 3 μm) 其會發(fā)生 light Decay和 edge leakage (7) 。于此同時, Nanowire 3D 結(jié)構(gòu)雖然制作工藝較為復(fù)雜, 但是其 在尺寸縮小的情況下發(fā)光面積依然較大, 所以其光效會更優(yōu) (7) 。 除去以上結(jié)構(gòu)外, 還有 Face up chip 結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)和 Flip Chip 結(jié)構(gòu)相比, 其需要 Wire Bonding。因為 Bonding 需要區(qū)域較大, 其芯片尺寸一般大于 200 μm(屬于 Mini LED 范疇) (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) 如果 Micro LED 芯片其擁有襯底且出光在襯底反方向時, 為了增加出光度, 需要在襯底底部制作反射圖案。以用 Sapphire 襯底制作 Face Up Chip Micro LED 為例, 為了增加其在特定方向上的出光。一般需要在玻璃襯底上制作圖案以增加出光率(PPS: Pattern Sapphire Substrate)。其后通過多次外延生長、成膜和光刻的方式形成芯片圖案。
Fig 3.2.4 PSS on substrate (1)
Fig 3.2.5 Processing Flow of Face Up Chip (5) 傳統(tǒng)的 LED 顯示屏在芯片切割完畢后, 直接對整顆 LED 燈珠進行封裝, 驅(qū)動電路與芯片正負極連接, 驅(qū)動封裝好的燈珠; 而 Micro LED 在光刻步驟后, 并不會直接封裝, 這是由于封裝材料會增大燈珠體積, 無法實現(xiàn)燈珠間的微距。需要將 LED 裸芯片顆粒直接從藍寶石基板轉(zhuǎn)移到硅基板上, 將燈珠電極直接與基板相連。 3.3 Micro LED with color conversion 如果單獨制作 RGB 三色的 Micro LED 并進行巨量轉(zhuǎn)移, 其制程復(fù)雜且良率較低。為了得到更好的良率和轉(zhuǎn)移效率, 不少公司開始嘗試用藍色 Micro LED + Color conversion 的方式來進行制作MIceo LED 顯示器。其基本思路是用藍光的 Micro LED 進行發(fā)光, 其后通過色轉(zhuǎn)換層進行轉(zhuǎn)換從而實現(xiàn)分色效果。色轉(zhuǎn)換層可以是普通的 CF, 也可以是量子點。 當采用量子點制作時, 有各種不同的思路和制作方法。最為常規(guī)的做法是同光刻的形式來分別制作 RG 兩色的 QD 層并放置于藍色 Micro LED 上方。如果采用該方式來進行制作, 其制程復(fù)雜且材料浪費較大。個人認為進入消費者市場存在一定的難度。 另外一種思路是用藍光激發(fā)混合發(fā)光層+常規(guī) CF 的方式來進行發(fā)光, 該方式從理論上說更為可行。但是發(fā)光所穿過功能層較多, 則屏幕亮度等參數(shù)會受到一定影響。 4 Limitations and Defects Micro LED 和別的顯示技術(shù)相比在現(xiàn)階段還是存在不少問題, 比如在弱電流下的發(fā)光效率等。截至到 2018 年, 常見的 Micro LED Display 制作中存在的挑戰(zhàn)有: (6) Efficiency下降很大, 尤其 Red。 Transfer 問題: Chip 太小、太薄?，F(xiàn)在 tool 無法 handle。 巨量轉(zhuǎn)移: 量太多, 現(xiàn)在速度不合適。 Yield: Chip * transfer: 99.999% * 99.999% ~ 20 PPM Repair: Redundancy修復(fù)時間過長。 均勻性、大尺寸 wafer 6” → 8”。 Defect 4.1 Side-wall Effect (10) 當 Micro LED 尺寸下降到一定的范圍后(特別是 10 μm 以下), 其更容易從 LED 邊緣漏出, 從而形成 Side wall Effect/Edge Leakage。Side wall Effect 會導(dǎo)致 Micro LED EQE 的下降。隨著邊緣出光的比重提高, 需要對 Micro LED 邊緣進行一定的處理 (10) 。一種處理方式是僅對器件中部進行電流注入而在邊緣保持 3μm 左右的緩沖區(qū)域 (17) , 從而避免 Sidewall 現(xiàn)象的產(chǎn)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 在發(fā)現(xiàn)有缺陷的 Micro LED 芯片后, 需要將該芯片 De-bonding、然后清理干凈 Bonding 區(qū)域、重新選取合格芯片再重新 Bonding。PL 方式可以對尺寸較大的 Micro LED 芯片的劃痕、缺角和裂縫的缺陷進行識別。但是當 Micro LED 芯片尺寸下降到 50 μm 以下時, PL 方式則很難發(fā)現(xiàn)各種缺陷。在此種情況下, Toray 采取 EL 的方式進行識別。 在 EL 模式下, 每個 Micro LED 芯片會有一個 Primary 電路和一個 Redundancy電路。在一般情況下 Redundant 電路并不會被開啟。當 Micro LED 芯片在 Primary 電路下點亮并被發(fā)現(xiàn)存在缺陷時, 其會將信號傳遞給 IC 芯片, 從而 Redundant 電路被開啟。
Fig 4.2.1 Example of EL (7) 為了更有效的減少修復(fù)的時間, Yole 在 2018 年提出一種新的解決方案。該方案的基本原理是在 Micro LED 進行 Bonding 時, 其對于單個功能區(qū)域一次性 Bonding 2 個 Micro LED 芯片。比如對于單一像素內(nèi)的 R、G 和 B 三子像素內(nèi)做 2 個 R Micro LED、2 個 G Micro LED 和 2 個 B Micro LED, 且在實際使用中每個子像素內(nèi)只點亮 1 個 Micro LED 芯片。這么做的優(yōu)點是在后續(xù)檢測中如果發(fā)現(xiàn)單一像素內(nèi)存在故障或損壞的 Micro LED, 可以通過斷開其鏈接電極的方式來進行修復(fù)以達到減少修復(fù)時間的目的。(如果轉(zhuǎn)移良率很高且不存在壞點, 該方法還存在可以在采用 PWM 調(diào)灰度時減少眼部壓力的可能性。) 但是該方式也存在其缺點: 轉(zhuǎn)移時間變長。雖然修復(fù)的時間變短, 但是為了實現(xiàn)統(tǒng)一分辨率屏幕的制作, 其需要轉(zhuǎn)移 2×于子像素數(shù)目的 Micro LED 芯片。由此其前端制作成本會較高, 同時其制作時間也較長。 Yole 現(xiàn)階段展示的技術(shù)用于 Vertical Micro LED 結(jié)構(gòu), 至于去是否能夠用于 Flip 型 Micro LED 還需要進一步探討。
Fig 4.2.2 Example of Yole’s Approach to reduce Redundant (26) 4.3 Weak Current Micro LED 與 OLED 類似, 都是電流驅(qū)動型的器件。除去以上列出的挑戰(zhàn)外, Micro LED 在 TV 市場的運用還存在 Weak Current 驅(qū)動的障礙。若考慮到子像素的數(shù)量的話, 一個 FHD 的顯示屏上 存在上百萬顆子像素點。如果這幾百萬的子像素點在常規(guī)操作電流下進行點亮(10 μA~ 100 μA), 則面板的亮度會過高。但是如果通過采取降低操作電流的方式來控制亮度, 那么則存在操作電流亮度過低的問題 (17)。 根據(jù) Mikro Mesa 董事長陳立宜的假設(shè) (17), 一個 55” FHD 的 Micro LED 電視如果其最大功耗是 18 W, 則其亮度介于 600 ~ 1500 nit(與 外部量子效率和 內(nèi)部量子效率有關(guān))。如果該器件的電壓 = 3, 則其每個子像素的驅(qū)動電流為:
依托上述計算結(jié)果來模擬 Micro LED 芯片大小后, 則有(假設(shè) Total Current 為 6 A): 可見, 如果 Micro LED 芯片尺寸超過 50 μm × 50 μm 時, 用在大尺寸電視場景中其亮度為了保持 1000nit 以下, 其去操作電流會遠小于 1A/cm 2 。 (17) 對于一般的 LED 來說, 當電流密度在 1 ~ 100 A/cm 2 是其有較高的量子效率。如果驅(qū)動電流過低, 則期間容易收到 Surface State 表面態(tài)、Deep Level 和 Defects 等影響造成器件可靠度下降和顯示效果降低等問題 (17) 。從下圖來看, LED 的理想操作電流在 5 ~ 100 A/cm 2 之間(Micro LED 有很高的動態(tài)發(fā)光范圍優(yōu)點)。
Fig 4.3.1 Current Density v.s. η IQE (18)
Fig 4.3.2 Micro LED I-V 曲線 (17)
Fig 4.3.3 Micro LED I-V 理想驅(qū)動電流區(qū)域 (17) 其中一種解決方案是僅僅對 Micro LED 中間部分進行高密度電流注入并將發(fā)光區(qū)域限制到 3 μm × 3 μm。通過這種注入方式可以在提高電流密度的同時, 控制器件的發(fā)光亮度。因為其發(fā)光區(qū)域和邊緣有大于 3 μm 的間隙, 所以 Sidewall 漏光問題也能得到較好的解決。
First Approach
Second Approach Fig 4.3.4 Example of Current Injection Zone Design from Mikro Mesa (17) 4.4 Heating Issue (Under C) 可能導(dǎo)致 LED 過熱的問題的原因為: 內(nèi)部量子效率問題: 內(nèi)部量子效率不高的原因之一是電子和空穴復(fù)合時不能 100%的產(chǎn)生光子(通過聲子產(chǎn)生熱)。 外部量子效率問題: 內(nèi)部產(chǎn)生的光子無法全部射出到芯片外部, 從而在內(nèi)部進行轉(zhuǎn)化從而產(chǎn)生熱。(主要原因之一)。 隨著溫度的升高, LED 的壽命會下降。 聲明：轉(zhuǎn)載請向作者申請授權(quán)，未經(jīng)許可擅自使用者，將追究其法律責任。 Reference 1. Ioannis John Kymissis, Fundamental of Micro LED Displays, SID 2018 (2018) 2. 張嘉弘, 從背光到自發(fā)光: Micro LED 的未來展望, Cinno Research 3. MOCVD, 百度百科 4. MBE(分子束外延), 百度百科 5. 天風證券, Micro LED 點亮新一代顯示技術(shù), Wechat 6. Epistar, Innovative LED Technologies for Applications of Next-generation Display (2017) 7. ITRI, Micro LED 技術(shù)、應(yīng)用與未來發(fā)展趨勢 (2017) 8. TrendForce, LEDinside, Micro LED Next Generation Display Technology Report 1Q 18 (2018) 9. 終極顯示技術(shù) Micro LED, CTimes (2018) 10. LED 的微縮化之路, Snow Intelligence (2018) 11. Francois J. Henley, Materials, Process and Production Equipment Considerations to Achieve High-Yield MicroLED Mass-Production, QMAT (2018) 12. LED 倒裝芯片知識 360 度解析, 中華顯示網(wǎng), 13. BOE 知識酷, 三星、LG 發(fā)力 Micro LED, 它難點在哪？又有哪些陣營在研究呢？, WeChat, 14. BOE 知識酷, 從直插到 Micro LED 顯示器件封裝發(fā)展趨勢, WeChat 15. LEDinside of TrendForce Corp, Micro LED 歷史、現(xiàn)況、原理製程及企業(yè)戰(zhàn)力分析, 16. MicroDisplay, Micro-LED 顯示技術(shù)市場空間測算及最新布局進展, WeChat 17. 陳立宜, 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, http: //faculty.sites.uci.edu/chem2l/files/2011/04/RDGsemiconductor.pdf (2011) 20. Light Emitting Diode, AEROCHAPTER 21. Christian-Albrechts-University zu Kiel, 5.1.4 Wavelength Engineering 22. HC SemiTek, Mini LED 的 COB 封裝形式, 行家 Point ·Mini LED 研究及商業(yè)化研討會(2018) 23. Kulicke & Soffa | Technology, Technology Involved, 行家 Point ·Mini LED 研究及商業(yè)化研討會(2018) 24. Semiconductor Wafer, Inc 25. Coherent, 激光讓未來更具柔性, 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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