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Micro-LED全面科普

2021-11-16 16:08:49 0

文章來源:知乎--筱明

一、什么是Micro-LED?

Micro-LED,顧名思義,就是特別小的LED。

在1990年代顯示TFT-LCD背光模組開始蓬勃發展時,有部分廠商看中LED具有高色彩飽和度、省電、輕薄等特點,將LED用作背光源顯示技術。然而因LED成本過高、散熱不佳、光電效率低等因素,LED技術在當時并沒有得到較大的發展。

  直到2000年,藍光LED芯片刺激熒光粉制成白光LED技術的制程、效能、成本開始逐漸成熟;當進入2008年,白光LED背光模組呈現爆發性的成長,幾年間幾乎全面取代了冷陰極熒光燈管,其應用領域有手機、平板電腦、筆電、臺式顯示器乃至電視等等。

  與此同時,因TFT-LCD非自發光的顯示原理所致,其opencell穿透率約在7%以下,造成TFT-LCD的光電效率低落;且白光LED所能提供的色飽和度仍不如三原色LED,大部分TFT-LCD產品約僅72%的NTSC標準色域,無法表現出良好的色彩顯示能力;此外,TFT-LCD無法提供足夠的亮度顯示能力,致使在室外環境下的影像和色彩辨識度低,為其一大應用缺陷。LCD的種種缺陷造就了另一種直接利用三原色LED做為自發光顯示點劃素的LED Display或Micro LED Display的技術的蓬勃發展。

Micro-LED又稱微型發光二極管,是指高密度集成的LED陣列,陣列中的LED像素點距離在10微米量級,每一個LED像素都能自發光。得益于新一代的顯示技術——Micro-LED技術,即LED微縮化和矩陣化技術。指的是在一個芯片上集成的高密度微小尺寸的LED陣列,如LED顯示屏每一個像素可定址、單獨驅動點亮,可看成是戶外LED顯示屏的微縮版,將像素點距離從毫米級降低至微米級。該技術將傳統的無機LED陣列微小化,每個尺寸在10微米尺寸的LED像素點均可以被獨立的定位、點亮。也就是說,原本小間距LED的尺寸可進一步縮小至10微米量級。Micro-LED的顯示方式十分直接,將10微米尺度的LED芯片連接到TFT驅動基板上,從而實現對每個芯片放光亮度的精確控制,進而實現圖像顯示。

而Micro LED display,則是底層用正常的CMOS集成電路制造工藝制成LED顯示驅動電路,然后再用MOCVD機在集成電路上制作LED陣列,從而實現了微型顯示屏,也就是所說的LED顯示屏的縮小版。

二、Micro-LED的原理?

同LED一樣,MicroLED典型結構是一個半導體器件,由直接能隙半導體材料構成。半導體晶片由兩部分組成,一部分是P型半導體,在它里面空穴占主導地位,另一端是N型半導體,在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候,它們之間就形成一個P-N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候,電子就會被推向P區,在P區里電子跟空穴復合,然后就會以光子的形式發出能量。Micro-LED光譜主波長度約為20nm的紫外光,可提供極高的色飽和度。

  顯示器晶片表面必須制作成如同LED顯示器般的陣列結構,且每一個點劃素必須可定址控制、單獨驅動點亮。若透過互補式金屬氧化物半導體電路驅動則為主動定址驅動架構,MicroLED陣列晶片與CMOS間可透過封裝技術。

  黏貼完成后Micro LED能藉由整合微透鏡陣列,提高亮度及對比度。Micro LED陣列經由垂直交錯的正、負柵狀電極連結每一顆Micro LED的正、負極,透過電極線的依序通電,透過掃描方式點亮Micro LED以顯示影像。


相較傳統的LED顯示器件,新型Micro-LED從原有的300-1000微米的典型尺寸縮小到1-100微米,使之在同等面積的芯片上可以獲得更高的集成數量。因LED自發光的顯示特性,極大地提高了Micro-LED地光電轉換效率,可以實現低能耗或高亮度的顯示器設計。

這樣可解決目前顯示器應用的兩大問題,一是穿戴型裝置、手機、平板等設備的80%以上的能耗在于顯示器上,低能耗的顯示器技術可提供更長的電池續航力;二是環境光較強致使顯示器上的影像泛白、辨識度變差的問題,高亮度的顯示技術可使其應用的范疇更加寬廣。

三、Micro-LED的工業實現?

Micro-LED是將LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化,其尺寸僅在1-100μm等級左右;后將Micro-LED批量式轉移至電路基板上,其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上;再利用物理沉積制程完成保護層與上電極,即可進行上基板的封裝,完成一結構簡單的Micro-LED顯示。

對于Micro-LED的工藝問題,很多人認為,可以從傳統LED屏中攝取經驗。但是,Micro-LED與傳統led顯示產品差別巨大。與傳統LED顯示屏比較,Micro-LED的差別主要在于:1.精密程度數十倍的提升;2.集成工藝從直插、表貼、COB封裝等變成了“巨量微轉移”;3.缺陷可修復性幾乎為零;4.背板從印刷電路板,變成了液晶和OLED顯示所使用的TFT基板,或者CPU與內存所采用的單晶硅基板。即與傳統LED顯示屏比較,Micro-LED在晶粒、封裝、集成工藝、背板、驅動等每一個方面都不一樣。

以下我們對Micro-LED制造工藝分步驟進行討論:

第一 LED晶體薄膜化、微小化、陣列化——微縮制程技術

目前對于半導體與芯片的制程微縮目前已到極限,而在制造上的微縮卻還存在相當大的成長空間,對于Micro-LED制程上,目前主要呈現分為三大種類:Chip bonding(芯片級焊接)、Wafer bonding(外延級焊接)和Thin film transfer薄膜轉移)

Chip bonding(芯片級焊接)

  將LED直接進行切割成微米等級的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板),利用SMT技術或COB技術,將微米等級的Micro LED chip一顆一顆鍵接于顯示基板上。優點在于可以調節轉移間距,但不具有批量轉移能力。

SMT技術(表面貼裝技術)是電子組裝行業里最流行的一種技術和工藝。它是一種將無引腳或短引線表面組裝元器件(簡稱SMC/SMD,中文稱片狀元器件)安裝在印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)的表面或其它基板的表面上,通過再流焊或浸焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術。主要工藝步驟有來料檢測 => PCB的A面絲印焊膏(點貼片膠)=> 貼片 =>烘干(固化)=>回流焊接 => 清洗 => 插件 => 波峰焊 => 清洗 => 檢測 => 返修。

COB(Chip On Board):小間距顯示技術,即直接將LED發光晶元封裝在PCB電路板上,并以CELL單元組合成顯示器的技術方式。我們將COB封裝技術與SMT的子類傳統的SMD技術進行對比。

Wafer bonding(外延級焊接 )

  在LED的磊晶薄膜層上用感應耦合等離子離子蝕刻(ICP),直接形成微米等級的Micro-LED磊晶薄膜結構,此結構之固定間距即為顯示畫素所需的間距,再將LED晶圓(含磊晶層和基板)直接鍵接于驅動電路基板上,最后使用物理或化學機制剝離基板,僅剩4~5μm的Micro-LED磊晶薄膜結構于驅動電路基板上形成顯示劃素。優點是具有批量轉移能力,但是不可以調節轉移間距。

感應耦合等離子體刻蝕技術的原理是通入反應氣體使用電感耦合等離子體輝光放電將其分解,產生的具有強化學活性的等離子體在電場的加速作用下移動到樣品表面,對樣品表面既進行化學反應生成揮發性氣體,又有一定的物理刻蝕作用。因為等離子體源與射頻加速源分離,所以等離子體密度可以更高,加速能力也可以加強,以獲得更高的刻蝕速率,以及更好的各向異性刻蝕。主要用于刻蝕Si基材料,Si,SiO2,SiNx,低溫深Si刻蝕等,廣泛應用于物理,生物,化學,材料,電子等領域。

將生長的外延層從基板上剝離和轉移,這允許高度不匹配的材料系統的異質集成。Lift off方法能夠將epilayer轉移到任何的襯底上,并且如果襯底在lift off過程中沒有損壞,昂貴的襯底還可以反復使用,從而降低器件生產的總成本。隨著異質材料異質集成需求的不斷增長,各種不同的lift off技術得到了發展,包括epitaxial lift-off (ELO)、機械剝離、laser lift-off和二維(2D)材料輔助層轉移(2DLT)等。特別是2DLT需要獨特的外延技術,如遠端外延或范德華(van der Waals, vdW)外延,使單晶薄膜在二維材料上生長,在較弱的vdW界面上容易脫落。

激光剝離技術通過利用高能脈沖激光束穿透藍寶石基板,光子能量介于藍寶石帶隙和GaN帶隙之間,對藍寶石襯底與外延生長的GaN材料的交界面進行均勻掃描;GaN層大量吸收光子能量,并分解形成液態Ga和氮氣,則可以實現Al2O3襯底和GaN薄膜或GaN-LED芯片的分離,使得幾乎可以在不使用外力的情況下,實現藍寶石襯底的剝離。

機械剝離是一種在微米厚度范圍內制造薄膜的方法,是一種相對粗糙的額工藝,它產生的薄膜厚度在幾百納米到幾微米范圍內。

2DLT技術利用了vdWE和外延技術的優點來生成free-standing單晶膜。這種方法是通過vdWE和外延與二維材料輔助轉移技術相結合實現的,其中二維材料的弱vdW結合促進了外延生長薄膜從襯底上剝離,在剝離后留下一個原始的表面。

Thin film transfer(薄膜轉移)

  使用物理或化學機制剝離LED基板,以一暫時基板承載LED磊晶薄膜層,再利用感應耦合等離子離子蝕刻,形成微米等級的Micro-LED磊晶薄膜結構;或者,先利用感應耦合等離子離子蝕刻,形成微米等級的Micro-LED磊晶薄膜結構,再使用物理或化學機制剝離LED基板,以一暫時基板承載LED磊晶薄膜結構。最后,根據驅動電路基板上所需的顯示畫素點間距,利用具有選擇性的轉移治具,將Micro-LED磊晶薄膜結構進行批量轉移,鏈接于驅動電路基板上形成顯示畫素。此方法成本低,對顯示基板尺寸無限制,具有批量轉移能力。

最后,根據驅動電路基板上所需的顯示劃素點間距,利用具有選擇性的轉移治具,將Micro LED磊晶薄膜結構進行批量轉移,鍵接于驅動電路基板上形成顯示劃素。

所用到的具體技術同上。

第二 批量轉移至電路基板——巨量轉移技術

Micro-LED實質上可以看作將LED器件進行數百倍乃至數千倍的縮小,以使更多更小的Micro-LED的發光集成在同等面積的芯片上。所以在工業上實現Micro-LED的技術瓶頸就在于此。這就涉及到一種其他電子行業幾乎都不會用到的高難度工藝——“巨量微轉移”(也叫巨量轉移)技術?!熬蘖哭D移”是一個什么技術呢?簡單說就是在指甲蓋大小的TFT電路基板上,按照光學和電氣學的必要規范,均勻焊接數量達成百上千個,甚至更多紅綠藍三原色LED微小晶粒,且對允許的工藝失敗率有著極為苛刻的要求。只有達到這樣程度工藝的一個產品,才能真正應用到實際產品中來。、

目前看來,“巨量轉移”都還是一個“量產前”技術,為了實現“巨量轉移”的目標,市面上一些相當不一樣的技術?,F在總結如下:

如上圖所示,目前根據已有的資料調查顯示,巨量轉移技術按照原理的不一樣,主要分為四個流派:精準抓取,自組裝,選擇性釋放和轉印技術。

1.Pick&Place技術

● 采用范德華力

如下為X-Celeprint的Elastomer Stamp技術,這屬于pick&place陣營的范德華力派。其采用高精度控制的打印頭,進行彈性印模,利用范德華力讓LED黏附在轉移頭上,然后放置到目標襯底片上去。目前采用的彈性體(Elastomer)一般是PDMS。X-Celeprint也稱其技術為Micro-Transfer_Printing(μTP)技術。

要實現這個過程,對于source基板的處理相當關鍵,要讓制備好的LED器件能順利地被彈性體材料(Elastomer)吸附并脫離源基底,先需要通過處理LED器件下面呈現“鏤空”的狀態,器件只通過錨點(Anchor)和斷裂鏈(Techer)固定在基底上面。當噴涂彈性體后,彈性體會與器件通過范德華力結合,然后將彈性體和基底分離,器件的斷裂鏈發生斷裂,所有的器件則按照原來的陣列排布,被轉移到彈性體上面。制作好“鏤空”,“錨點”和“斷裂點”的基底見下圖所示。

● 采用磁力

利用磁力的原理,是在LED器件中混入鐵鈷鎳等材料,使其帶上磁性。在抓取的時候,利用電磁力控制,達到轉移的目的。



● 采用靜電力

Luxvue是蘋果公司在2016年收購的創業公司。其采用的是靜電力的peak-place技術。其具體的實現細節我沒有查到,只有如下的兩個專利或許能透漏出其細節的一鱗半爪。希望后面能得到更多的細節。采用靜電力的方式,一般采用具有雙極結構的轉移頭,在轉移過程中分布施加正負電壓,當從襯底上抓取LED時,對一硅電極通正電,LED就會吸附到轉移頭上,當需要把LED放到既定位置時,對另外一個硅電極通負電,轉移即可完成。



2.自組裝技術

首先,其將LED外表包覆一層熱解石墨薄膜,放置在磁性平臺,在磁場引導下LED將快速排列到定位。采用這種方式,應該是先會處理磁性平臺,讓磁性平臺能有設計好的陣列分布,而分割好的LED器件,在磁場的作用下能快速實現定位,然后還是會通過像PDMS一類的中間介質,轉移到目標基底上去。這種技術方式的好處有如下:

避免對源基板的器件進行復雜的結構設計去適應巨量轉移工藝。

因為LED會批量切割,因此可以在轉移前進行篩選,先去除不合格的LED。

采用磁性自組裝,預計時間會更加快速。

源基板不需要過多考慮目標基板的實際陣列排布,預期可以有更大的設計空間。

3.選擇性釋放技術

通過激光束對源基底的快速掃描,讓其直接脫離源基板而集成到目標基板上。對于這種技術的前景,目前仍然需要更多技術細節的支持。

4. 轉印技術

如下為KIMM公司的轉印技術技術,轉印技術通過滾輪將TFT與LED轉移到玻璃基底上面。對于這種技術,技術難度看起來非常大,特別是在于如果保證生產良率上面。

此外:在當今追求色彩化以及高分辨率高對比率、用戶對屏幕的顯示能力越來越苛刻的嚴峻趨勢下,Micro-LED的彩色化是一個重要的研究方向。以下將對當前重要的幾種Micro-LED的彩色化實現方式加以討論,包括RGB三色LED法、UV/藍光LED 發光介質法、光學透鏡合成法

四、Micro-LED應用前景如何?

Micro-LED具有高解析度、低功耗、高亮度、高對比、高色彩飽和度、反應速度快、厚度薄、壽命長等特性,功率消耗量可低至LCD的10%、OLED的50%,是業界期待的下一代顯示技術。目前如果考慮現有技術能力,Micro-LED有兩大應用方向,一是可穿戴市場,以蘋果為代表。二是超大尺寸電視市場,以Sony為代表。

OLED和Micro LED對比LCD在各個功能性指標方面(PPI、功耗、亮度、薄度、顯色指數、柔性面板適應度)都有顯著優勢,雖然LCD面板應用時間較長,供應鏈成熟度較高,有價格優勢,但在將來必會被OLED和Micro LED替代。

OLED和Micro LED都是面向未來的顯示技術,兩者從工業實踐的角度來看有不小的差距,Micro LED在性能上優于OLED。Micro LED是將微米等級的Micro LED巨量轉移到基板上,類似微縮的戶外LED顯示屏,每一個Micro LED都定址并且可以單獨驅動點亮,相較OLED更加省電,反應速度更快,OLED比LCD更薄、顯示更清晰,但如果要省電,得降低高亮度顯示和白色畫面,視覺表現會受到影響。Micro LED技術上已經突破了OLED的局限,亮度和飽和度相比之下都更高。此外OLED材料是有機發光二極管,在使用壽命上天然無法與Micro LED等有機發光二極管相比,在需要使用時候命的應用領域,如汽車抬頭顯示、大型屏幕投影等方面Micro LED更具競爭力。

  從短期來看Micro-LED市場集中在超小型顯示器,從中長期來看,Micro-LED的應用領域非常廣泛,橫跨穿戴式設備、超大室內顯示屏幕外,頭戴式顯示器(HUD)、抬頭顯示器(HUD)、車尾燈、無線光通訊 Li-Fi、AR/VR、投影機等多個領域。目前,AR/VR市場逐步擴大,對于面板的要求也越來越高,舊有的LCD顯示器和OLED顯示器已經跟不上越來越高的市場需求。隨著這種需求愈加迫切,廠商們必將會尋找新的屏幕顯示技術來替代現有的LCD或是OLED顯示器,而這種新技術Micro-LED恰好能滿足要求。

作為一種新的顯示技術,Micro-LED發展速度到底有多快,發展方向如何,這場顯示領域的革命又能夠何時掀起,讓我們拭目以待!

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