深度解析！关于Micro LED是时候了解下这些了.......

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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 的自发光 LED。其现有主要潜在市场是高分辨率的家用消费电子市场。

根据最终运用场景的不同, Micro LED 可以直接在 Si、GaN 或者 Sapphire 等基底上制作高分辨率显示屏供 VR 等产品使用, 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进行组装, 从而满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 等运用场景中微小的屏幕尺寸相比, 手机、平板和电视上的屏幕尺寸较大。如果希望在这些场景中使用 Micro LED 甚至是 Mini LED, 则 LED 器件需要在基板上进行分离, 并在较大的基底上进行组装:

• 在带有驱动电路的基板上仅进行 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, 或分别将 LED 和驱动芯片组在玻璃等基板上组装等。该技术因为存在较多的步骤, 其理论良率较低。

• 将 LED 和 CMOS 进行整合使得每个单元有自己的驱动, 其后再在较大的基底上进行组装。该方式可以视为 Mini LED 做 Patch wall 技术的一种延伸。每个结构单元上有自己的驱动, 理论上可以提高良率和减少后续修补工艺。

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)

截至到 2019 年初, 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路:

• 直接 RGB 分色 Micro LED 屏幕: 在该器件中, 分别采用 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, 其主要思路是由蓝色 Micro LED 发光激发对应的 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)

常规的 Display还是以玻璃基板+TFT 为基础设计的。为了进一步提高良率并减少转移中的损耗, Yole 提出直接制作 Micro IC 形式来对 Micro LED 显示期间来进行凭借。其具体思路是 (31) :

• 直接在硅片上制作多个 IC 电路。

• 其后将 Micro LED Bonding 在电路上。

• 将带有 Micro LED 的 IC 电路分成小片。

根据显示屏幕需要组装所需数量的 Micro IC 芯片。

该方法的优点是其不需要 TFT 背板, 同时可以在 IC 代工厂里完成大部分的元件制作并有效的降低成本。

从屏幕生产的角度上来考虑, 工艺步数的减少可以有效的提高产品的良率。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)

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Production in Details

2.1 Epitaxial Growth

因为 Micro LED 结构中对功能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进行生长。与 OLED 蒸镀有一定的相似性, 随着晶圆尺寸的增大, Micro LED 制作的数量和效率也会增大, 但是其成膜均匀性会收到一定的影响。

Micro LED 的主要生产材料是 GaN (红色的 Micro LED 用 GaAs 而其他颜色则可以用 GaN。因为 GaAs 较难制作, 所以红色 Micro LED 价格会比其他颜色更贵), 并采取侧延生长的方式在衬底上进行制作 (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材料, 以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种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材料。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)反应室中进行,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, 其生长速度快。

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技术, 简记为 MBE。其方法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不同分别放在喷射炉中(也在腔体内)。由分别加热到相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不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低, 能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度, 但系统复杂, 生长速度慢, 生长面积也受到一定限制。采用 MBE 方式进行生长时, 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

从价格而言, 蓝宝石沉底最便宜, 而 GaN 衬底最贵。而从器件的性能而言, GaN 衬底制作出的器件其性能更加的优异 (1) 。

与 OLED 相比, 其两者驱动电路结构基本相同, 但是区别是 Micro LED 可以承受更高的驱动电流(1000A/cm2 vs 10 A/cm2) (1) 。

2.2 Approaches of Making μLED: Monolithic & Chiplet

Micro LED 显示屏有几种不同的制作形式:

• 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进行组装。该方法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合用于智能手表、Hud 抬头显示器和 AR/VR 等运用场景。但是晶圆的尺寸限制了 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,一般则采用 Chiplet 的方式来进行 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的难点是如何无损的对芯片进行 De bonding/Release、Transfer、Bonding 和电极 Wire。

根据巨量转移的方式不同, 其又可以进一步细分为不同的方法和方案:

• Pick & Place: 单片 Micro 的抓取与放置。采用 Pick & Place 方案时, 因为技术限制(如真空管吸取的物理极限等), 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 更加适合运用到 Mini LED 的制作中。但是顺应着该技术逻辑, 该技术进一步分化为 Fine Pick & Place 技术 (13) 。截至到 2018 年年中, 现有主流的 Fine Pick & Place 技术主要有三种:

1、静电力 Static Electricity (13) : 采用具有双极结构的转移头, 在转移过程中分别施于正负电压:

• 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 过程需要对另外一个硅电极通负电, 从而释放 LED 芯片。

但目前现况转移设备(Pick ＆ Place)的精密度是±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), 结合高精度运动控制的打印头, 利用范德华力进行 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) 图片来源：X-Celeprint

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

Fig 2.3.4 Example of Magnetic Micro LED  (1)

• Selective Release (13) : 该技术中略过了 Pick 的环节, 而直接在原有的衬底上将 LED 进行转移。其技术实现的路径用的比较多的方法是 LLO 技术。

• LLO 技术常用与柔性 AMOLED 显示屏技术生产。其基本原理是通过激光从背面照射需要 Debonding 的器件, 从而使得该部分区域和衬底脱离。当用 LLO 中的激光照射 GaN 基板上,照射处的 GaN 会分解为金属 Ga 和 N2 (13) 。

• Self-Assembly: 该技术中最为常见的是 Fluid Self Assembly技术, 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。其后将切割后的 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 技术。和其他技术相比, 其理论成本更低, 但是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/转印技术中, 需要用激光方式将 Micro LED 进行 Lase Induced Forward Transfer(LIFT)。Coherent 指出通过 LIFT 技术, 其每个激光 Shot 可以转移大概 10, 000 个芯片, 从而大幅度提高 Micro LED 转移效率 (25) 。Coherent 其在 2018 年的思路是先将 Micro LED 通过 LLO 的方式转移到中间载体 Template 上, 其后再用 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 会议上也展出类似技术并将其称为 Soft LLO (27) 。与 Coherent 思路不同的是 QMAT 直接在制作 Micro LED 时在中间加入 Transfer Release Layer, 然后采用脉冲LLO 将生长有 Micro LED 的 Wafer 直接当作 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, 其后使其 Bonding 在目标衬底上。根据脱离方式的不同, 可以将以上几种巨量转移方式进行以下归类 (34) :

• Mechanical Released Carrier (MRC): 用机械力进行脱离。

• Optical Released Carrier (ORC): 用激光的方式来进行脱离。

• OMRC (Optical – Mechanical Released Carrier): 激光和机械力混合脱离方式。

为了保证在最后衬底上 Bonding 后器件的良率, 一般可以考虑采取 Know Good Die(KGD)的方式(34) 在 Bonding 前进行预先检测。KGD 是一种预先检测的方式, 在制作完 Micro LED 后直接对其器件进行预点亮并进行观测, 由此可以发现有缺陷的器件。在转移过程中利用 KGD 检查的结果可以跳过缺陷器件, 从而理论上提高了最终成品的良率。

2.4LED/Micro LED: Bonding

Fig 2.4.1 Example of LED Bonding  (14)

Table 2.2 Example of LED Bonding  (14)

LED Bonding 的封装技术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)最先研发成功并投放市场的 LED 产品, 技术成熟、品种繁多。通常支架的一端有“碗杯形”结构, 将 LED 芯片固定在“碗杯形”结构内, 然后采用灌封封装。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 产品。直插式封装技术的制造工艺简单、成本低, 有着较高的市场占有率。目前, 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, 以满足高亮、高分辨、高效率拼接的要求。目前直插式 LED 主要应用于户外点间距在 P10 以上的大屏, 其亮度优势、可靠性优势较明显, 但由于户外点间距也朝着高密方向发展, 直插受限于红绿蓝 3 颗器件单独插装, 很难高密化, 所以在户外点间距 P10 以下逐渐被 SMD 器件替代 (14) 。

Fig 2.4.2 Example of Lamp Bonding  (14)

• SMT/SMD: 表贴三合一(SMD)LED 于 2002 年兴起, 并逐渐占据 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(支架外引脚分别连接 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, 最后切割分离成单个表贴封装器件。由于可以采用表面贴装技术(SMT), 自动化程度较高。与引脚式封装技术相比, SMD LED 的亮度、一致性、可靠性、视角、外观等方面表现都良好。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 。前者常采用 PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)支架, 后者采用 PCB 线路板作为 LED 芯片的载体。PLCC 支架成本低, 但是在应用中存在气密性差、散热不良、发光不均匀和发光效率下降等问题。此外, 还有性能和光效更好的 PCT 及 EMC 材质的支架, 但考虑到价格较贵, 暂未在 LED 显示屏器件上广泛应用。SMD LED 器件封装尺寸具有一定的局限性。当封装尺寸往 0808 更小尺寸封装发展时, 封装的工艺难度急剧增大, 良率下降, 导致成本增加。这主要是受限于固晶、焊线、划片(冲切)、焊线的设备精度等因素。另外, 在终端应用的成本也会增加, 主要体现在贴装设备的精度、贴装效率等 (14) 。

• SMT (9) : 表面贴装电子元件技术, 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 集成封装不但能够减少支架成本和简化 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 显示屏在一定程度上扩展了器件的散热面积, 从而让产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 显示模块在实际应用中能够节省器件的封装成本。在相同功能的显示屏系统中, 采用 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 先用接着剂固定在 PCB 板上, 再用金线或铝线将 IC pad 与 PCB 金手指进行接合(打线), 最后涂敷黑胶、烘烤固化进行保护。

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)

如果希望将 Micro LED 技术运用在手机、平板或电视的运用场景的话, 那么其 Bonding 的形式则与上述方法存在一定的差异。

• 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, 其后再将 Micro LED 从衬底转移到基板上。转移时, 根据转移方式的不同, 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。因为 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 进行切割, 其后再通过 SMT 或 COB 方式对 Micro LED 芯片进行 Bonding。该方式可以用在 Micro LED Wall 等大尺寸运用场景上。因为 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 的范畴, 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: 用薄膜等方式进行转印和 Bonding。和 Chip Bonding 的方式不同, 在该模式下不需要破坏原有的晶圆基板, 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, 由于晶圆可以再次利用, 所以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):  理论上在采取 COB 等形式 Bonding 时 ,  其间距有一定限制。估现阶段认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, 再根据 Micro LED 芯片和目标基板 Bonding 中使用的材料不同, 其技术可以又可以具体分为:

• Metal Bonding(7) : 该 Bonding 方式可以适用于 Flip Chip 等 Micro LED 器件的 Bonding。该 Bonding 方式的缺点是如果在较高的温度下 Bonding 则有可能对 Micro LED 进行损伤, 而如果在较低的温度下 Bonding, 则因为采用大量稀有金属的缘故, 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 可以采用焊接方式来进行制作, 一般可以用焊锡方式来进行焊接。

• 共晶: 共晶方式主要用在 Flip Chip 型 LED 上。当采用该方式在进行 Bonding 时, 其金属接触部分采用 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)。随着合金成分比的改变, 其熔点也发生变化, 从而是的共晶层固化且把 LED 芯片固定在基板上。共晶温度由芯片底表金属材料的耐热程度而决定。在采用共晶方式进行 Bonding 时, 其技术的关键是共晶材料的选择和温度的控制。根据共晶方式的不同, 其又可以继续分为助焊剂共晶和直接共晶。在采用这种焊接/共晶方式进行 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) : 该方式比较常见的 Bonding 材料是 ACF。但是随着 Micro LED 尺寸的逐步减小, ACF Bonding 方式则逐步呈现出一定的局限性。因为 ACF 结构的限制, ACF Bonding无法有效应对小尺寸的 Micro LED Bonding 需求。随着技术的进一步发展和新材料的开发, lep 技术也被逐渐开发起来。lep 是一种类似 ACF 的白色胶体, 主要用于 bonding 和减少光的损失。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 的媒介, 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 上以减少 TFT 端的制作难度 (30) 。

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

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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)

对于无机材料而言, 能带间隙取决于材料组成和晶体结构, 对于常见的 LED 材料而言, 其半导体能带、材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)

在采取侧延生长方式制作 Micro LED 期间时, 为了避免原子形成晶苞之间 Grain Dislocation 等缺陷的存在, 其参杂的材料和生长基板间需要:

• 相同的晶体结构。

• 晶体晶格类似(Lattice Parameter)。

而无机材料的能带间隙又和材料的成分组成和晶体结构相联系。所以在 Micro LED 生长时, 需要通过对材料成分的调整来达到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, 其生长衬底可以分别选择为 GaAs、GaP 和 SiC 衬底来进行制作, 而白光的 LED 可以用 GaN 晶圆来进行制作。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(一般为 GaN on Si 晶圆)。无论是在哪种衬底上进行生长, 为了保证器件的有序和完整, 其生长方向都需要尽可能地沿着材料的紧密排列方向进行(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意的是其半导体能带间隙类型。

• 对于 Direct Band Gap 的材料而言, 其空穴和电子相结合的过程中产生是光子(Photon)。

• 对于 Indirect Band Gap 型材料, 因为去 VB 和 CB 能带最低和最高点不在统一方向, 所以空穴和电子在结合是产生声子(Phonon)。声子的产生伴随着热。所以该类型期间的内部量子效率偏低、发光有一定迟滞, 且伴随着热量的产生。

那么理论上对于常见的几个 LED 衬底而言, 可见 GaP、AlGaP 和 SiC 等材料的为 Indirect Band Gap 材料。而 GaN 和 GaAs 为 Direct Band Gap 材料。Band Gap 的结构也会随着参杂的程度的改变而产生变化。例如 GaAs 向 AlAs 过度中其晶体能带间隙就逐渐从 Direct Band Gap 向 Indirect Band Gap 进行变化。

p-n 结是 LED 发光的核心结构。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 结中结合后发出光子发光。因为电子(e)和空穴(h)的浓度和传输速度存在一定的差异, 为了保证在 Micro LED 在工作时空穴或电子不会跃过 p-n 结而在非发光区域进行结合, 在实际器件中会加入 Hetero-Junction 结构对载流子的流动进行限制, 从而使得其载流子只能在固定能级的 Hetero-Junction 内进行结合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。一般的 GaN 基板需要在别的衬底上生长而来, 并根据生长衬底的不同可以进一步分为 GaN on Si 和 GaN on Sapphire。

GaN on Si 价格较为昂贵且衬底结构较为复杂。其主要原因是因为 (29) :

• GaN 和 Si 的晶格常数有 17%的差异, 这些差异容易导致 GaN 表面产生缺陷。

• 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 的制作工艺复杂和良率较低等问题, 并堆高了售价。

在工业上对该方案的解决思路是通过加入不同的 buffer 层来减少 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

根据 Micro LED 结构的不同, 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因为不在一个表面上, 所以在手机等运用场景中其 Bonding 较为困难。

• Face Up Chip  (12) : Face Up 芯片为 LED 正装芯片是最早出现的芯片结构, 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, 从上至下材料为: P-GaN, 发光层, N-GaN, 衬底。所以, 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减少, 留给正装芯片的引线布线空间可能不足。

• Flip Chip  (5) (12) : 该类型芯片是为了避免正装芯片中因电极挤占发光面积从而影响发光效率, 而对正装芯片进行倒置。从而使得使发光层激发出的光直接从电极的另一面发出(衬底最终被剥去, 芯片材料是透明的), 同时, 针对倒装设计出方便 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)的精密度是±1.5μm(每次移转为单一芯片) (16) 。

• Nanowire 3D 结构 (1) (5) (7) 。Nanowire 3D 结构一般在制作工艺如下:

• 先采用 Sapphire 基板并优先的生长 n-GaN。

• 制作 Mask 进行覆盖且使得 n-GaN 只能沿着某一个特定方向进行生长。

• 当 n-GaN 成长满足需求时, 再进行 p-GaN 的制作以在表面形成 p-n 结。为了避免载流子的溢出, 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单, 但是随着 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复杂, 但是其

在尺寸缩小的情况下发光面积依然较大, 所以其光效会更优 (7) 。

除去以上结构外, 还有 Face up chip 结构。该结构和 Flip Chip 结构相比, 其需要 Wire Bonding。因为 Bonding 需要区域较大, 其芯片尺寸一般大于 200 μm(属于 Mini LED 范畴) (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 芯片其拥有衬底且出光在衬底反方向时, 为了增加出光度, 需要在衬底底部制作反射图案。以用 Sapphire 衬底制作 Face Up Chip Micro LED 为例, 为了增加其在特定方向上的出光。一般需要在玻璃衬底上制作图案以增加出光率(PPS: Pattern Sapphire Substrate)。其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 灯珠进行封装, 驱动电路与芯片正负极连接, 驱动封装好的灯珠; 而 Micro LED 在光刻步骤后, 并不会直接封装, 这是由于封装材料会增大灯珠体积, 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

如果单独制作 RGB 三色的 Micro LED 并进行巨量转移, 其制程复杂且良率较低。为了得到更好的良率和转移效率, 不少公司开始尝试用蓝色 Micro LED + Color conversion 的方式来进行制作MIceo LED 显示器。其基本思路是用蓝光的 Micro LED 进行发光, 其后通过色转换层进行转换从而实现分色效果。色转换层可以是普通的 CF, 也可以是量子点。

当采用量子点制作时, 有各种不同的思路和制作方法。最为常规的做法是同光刻的形式来分别制作 RG 两色的 QD 层并放置于蓝色 Micro LED 上方。如果采用该方式来进行制作, 其制程复杂且材料浪费较大。个人认为进入消费者市场存在一定的难度。

另外一种思路是用蓝光激发混合发光层+常规 CF 的方式来进行发光, 该方式从理论上说更为可行。但是发光所穿过功能层较多, 则屏幕亮度等参数会受到一定影响。

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Limitations and Defects

Micro LED 和别的显示技术相比在现阶段还是存在不少问题, 比如在弱电流下的发光效率等。截至到 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, 現在速度不合适。

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

• Repair: Redundancy修复时间过长。

• 均勻性、大尺寸 wafer 6” → 8”。

• Defect

4.1 Side-wall Effect(10) 

当 Micro LED 尺寸下降到一定的范围后(特别是 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 边缘进行一定的处理 (10) 。一种处理方式是仅对器件中部进行电流注入而在边缘保持 3μm 左右的缓冲区域 (17) , 从而避免 Sidewall 现象的产生。

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 光照等方式进行识别 (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设备收集并分析, 从而在后续的数据分析中将有缺陷的 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、然后清理干净 Bonding 区域、重新选取合格芯片再重新 Bonding。PL 方式可以对尺寸较大的 Micro LED 芯片的划痕、缺角和裂缝的缺陷进行识别。但是当 Micro LED 芯片尺寸下降到 50 μm 以下时, PL 方式则很难发现各种缺陷。在此种情况下, Toray 采取 EL 的方式进行识别。

在 EL 模式下, 每个 Micro LED 芯片会有一个 Primary 电路和一个 Redundancy电路。在一般情况下 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, 其会将信号传递给 IC 芯片, 从而 Redundant 电路被开启。

Fig 4.2.1 Example of EL (7)

为了更有效的减少修复的时间, 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 进行 Bonding 时, 其对于单个功能区域一次性 Bonding 2 个 Micro LED 芯片。比如对于单一像素内的 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, 且在实际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如果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进行修复以达到减少修复时间的目的。(如果转移良率很高且不存在坏点, 该方法还存在可以在采用 PWM 调灰度时减少眼部压力的可能性。)

但是该方式也存在其缺点:

• 转移时间变长。虽然修复的时间变短, 但是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 现阶段展示的技术用于 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。若考虑到子像素的数量的话, 一个 FHD 的显示屏上

存在上百万颗子像素点。如果这几百万的子像素点在常规操作电流下进行点亮(10 μA~ 100 μA), 则面板的亮度会过高。但是如果通过采取降低操作电流的方式来控制亮度, 那么则存在操作电流亮度过低的问题 (17)。

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

依托上述计算结果来模拟 Micro LED 芯片大小后, 则有(假设 Total Current 为 6 A):

可见, 如果 Micro LED 芯片尺寸超过 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)

对于一般的 LED 来说, 当电流密度在 1 ~ 100 A/cm 2 是其有较高的量子效率。如果驱动电流过低, 则期间容易收到 Surface State 表面态、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 有很高的动态发光范围优点)。

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 中间部分进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, 控制器件的发光亮度。因为其发光区域和边缘有大于 3 μm 的间隙, 所以 Sidewall 漏光问题也能得到较好的解决。

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 过热的问题的原因为:

• 内部量子效率问题: 内部量子效率不高的原因之一是电子和空穴复合时不能 100%的产生光子(通过声子产生热)。

• 外部量子效率问题: 内部产生的光子无法全部射出到芯片外部, 从而在内部进行转化从而产生热。(主要原因之一)。

随着温度的升高, LED 的寿命会下降。

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