一文了解Micro-LED顯示技術(shù)

    從Micro-LED的歷史與現狀，看其量產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)與應用前景
　　揭開(kāi)Micro-LED的神秘外衣
　　Micro-LED是什么？

　　Micro LED技術(shù)，即LED微縮化和矩陣化技術(shù)。指的是在一個(gè)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(gè)像素可定址、單獨驅動(dòng)點(diǎn)亮，可看成是戶(hù)外LED顯示屏的微縮版，將像素點(diǎn)距離從毫米級降低至微米級。

　　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(dòng)電路，然后再用MOCVD機在集成電路上制作LED陣列，從而實(shí)現了微型顯示屏，也就是所說(shuō)的LED顯示屏的縮小版。

　　LuxVue有源矩陣Micro LED display申請的專(zhuān)利（圖片來(lái)源：LuxVue）
　　凸顯的優(yōu)勢

　　Micro LED優(yōu)點(diǎn)表現的很明顯，它繼承了無(wú)機LED的高效率、高亮度、高可靠度及反應時(shí)間快等特點(diǎn)，并且具自發(fā)光無(wú)需背光源的特性，更具節能、機構簡(jiǎn)易、體積小、薄型等優(yōu)勢。

　　除此之外，Micro LED還有一大特性就是解析度超高。因為超微小，表現的解析度特別高; 據說(shuō)，如若蘋(píng)果iPhone 6S采用micro LED，解析度可輕松達1500ppi以上，比原來(lái)的Retina顯示的400PPi要高出3.75倍

　　而相比OLED，其色彩更容易準確的調試，有更長(cháng)的發(fā)光壽命和更高的亮度以及具有較佳的材料穩定性、壽命長(cháng)、無(wú)影像烙印等優(yōu)點(diǎn)。故為OLED之后另一具輕薄及省電優(yōu)勢的顯示技術(shù)，其與OLED共通性在于亦需以TFT背板驅動(dòng)，所以TFT技術(shù)等級為IGZO、LTPS、Oxide。

基于微LED顯示屏的量子點(diǎn)全色發(fā)光的處理流程（圖片來(lái)源：OSA Publishing）
　　存在的劣勢

　　1.  成本及大面積應用的劣勢。依賴(lài)于單晶硅襯底做驅動(dòng)電路，并且從此前蘋(píng)果公布的專(zhuān)利上來(lái)看，有著(zhù)從藍寶石襯底轉移LED到硅襯底上的步驟，也就意味著(zhù)制作一塊屏幕至少需要兩套襯底和互相獨立的工藝。這會(huì )導致成本的上升，尤其是較大面積應用時(shí)，會(huì )面臨良率和成本會(huì )有巨大的挑戰。

　　(對于單晶硅襯底，一兩寸已經(jīng)是很大的面積了，參照全幅和更大的中畫(huà)幅CMOS感應器產(chǎn)品的價(jià)格)當然從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)LuxVue將驅動(dòng)電路襯底轉換為石英或者玻璃來(lái)降低大面積應用成本是可行的，但這也需要時(shí)間。相比于A(yíng)MOLED成熟的LTPS+OLED方案，成本沒(méi)有優(yōu)勢。

圖片來(lái)源：LuxVue

　　2. 發(fā)光效率優(yōu)勢被PHOLED威脅甚至反超。磷光OLED(Phosphorescent OLED，PHOLED)效率的提升有目共睹，UDC公司的紅綠PHOLED材料也都已經(jīng)在三星Galaxy S4及后繼機型的面板上開(kāi)始商用，面板功耗已經(jīng)和高PPI的TFT-LCD打平或略有優(yōu)勢。一旦藍光PHOLED材料的壽命問(wèn)題解決并商用，無(wú)機LED在效率上也將占不到便宜。

　　3. 亮度和壽命被QLED威脅。QLED研究現在很熱，從QD Vision公司提供的數據來(lái)看無(wú)論效率和壽命都非常有前景，而從事這塊研究的大公司也很多。當然QLED也是OLED的強力競爭對手。

　　4. 難以做成卷曲和柔性顯示。OLED和QLED的柔性顯示前景很好，也已經(jīng)有不少的Prototype展示，但對于LuxVue來(lái)說(shuō)做成卷曲和柔性都顯得比較困難。如果要制造iWatch之類(lèi)的產(chǎn)品，屏幕沒(méi)有一定的曲率是比較不符合審美的。

現狀

　　說(shuō)起micro LED的發(fā)展現狀，正如Nouvoyance現任CEO也是三星OLED面板中P排列像素創(chuàng )始人Candice Brown-Elliott所說(shuō)，在蘋(píng)果收購LuxVue之前只有很少人知道和從事該領(lǐng)域，而現在已經(jīng)有很多人開(kāi)始討論這項技術(shù)。

　　而兩位Micro-LED技術(shù)的專(zhuān)家在去年也曾表示，該技術(shù)水平還很難應用生產(chǎn)各種實(shí)用的屏幕面板，近期不大可能在iPhone、iPad或者iMac產(chǎn)品中看到這項屏幕技術(shù)。但對于較小的顯示屏，Micro-LED仍是一個(gè)可行的選擇，像Apple Watch等小型屏的應用。

VerLASE的 MicroLED陣在近眼顯示器（ NED ）上的應用(圖片來(lái)源：VerLASE）

　　其實(shí)自L(fǎng)uxVue被蘋(píng)果收入之后，有看到VerLASE公司宣布獲取突破性的色彩轉換技術(shù)專(zhuān)利，這種技術(shù)能夠讓全彩MicroLED陣列適用于近眼顯示器，之后一直沒(méi)有相關(guān)報道。最近，LEDinside從最近臺灣固態(tài)照明研討會(huì )得到消息，Leti、德州大學(xué)(Texas Tech University)和PlayNitride皆在研討會(huì )上展現自己的micro LED研發(fā)成果。

　　Leti推出了iLED matrix，其藍光EQE 9.5%，亮度可達107 Cd/m2;綠光EQE 5.9%，亮度可達108 Cd/m2，采用量子點(diǎn)實(shí)現全彩顯示，Pitch只有10 um，未來(lái)目標做到1 um。Leti近程計劃從smart lighting切入，中程2-3年進(jìn)入HUD和HMD市場(chǎng)，搶搭VR/AR熱，遠程目標是10年內切入大尺寸display應用。

　　而臺灣Play Nitride公布的同樣以氮化鎵為基礎的PixeLEDTM display技術(shù)，公司目前透過(guò)移轉技術(shù)轉移至面板，轉移良率可達99%!

　　由此可見(jiàn)，Micro LED技術(shù)已經(jīng)有很多企業(yè)在跟進(jìn)，發(fā)展速度也在加快。但就蘋(píng)果本身來(lái)看，該技術(shù)屬蘋(píng)果實(shí)驗室階段技術(shù)，且蘋(píng)果本身也押寶了許多新興產(chǎn)業(yè)，故未來(lái)是否導入量產(chǎn)仍有待觀(guān)察。

發(fā)展的瓶頸

　　其實(shí)Micro LED的核心技術(shù)是納米級LED的轉運，而不是制作LED這個(gè)技術(shù)本身。由于晶格匹配的原因，LED微器件必須先在藍寶石類(lèi)的基板上通過(guò)分子束外延的生長(cháng)出來(lái)。而做成顯示器，必須要把LED發(fā)光微器件轉移到玻璃基板上。由于制作LED微器件的藍寶石基板尺寸基本上就是硅晶元的尺寸，而制作顯示器則是尺寸大得多的玻璃基板，因此必然需要進(jìn)行多次轉運。

　　對于微器件的多次轉運技術(shù)難度都是特別高，而用在追求高精度顯示器的產(chǎn)品上難度就更大。通過(guò)此前蘋(píng)果收購Luxvue后公布的獲取專(zhuān)利名單也以看出，大多都是采用電學(xué)方式完成轉運過(guò)程，所以說(shuō)這才是Luxvue的關(guān)鍵核心技術(shù)

　　臺灣錼創(chuàng )執行長(cháng)李允立近日也表示："Micro LED成功關(guān)鍵有二：一是蘋(píng)果、三星這些品牌廠(chǎng)的意愿;二是晶片搬動(dòng)技術(shù)，一次搬運數百萬(wàn)顆超小LED晶片，有門(mén)檻要克服。“

　　其實(shí)，Micro LED還面臨第三個(gè)問(wèn)題，即全彩化、良率、發(fā)光波長(cháng)一致性問(wèn)題。單色Micro LED陣列通過(guò)倒裝結構封裝和驅動(dòng)IC貼合就可以實(shí)現，但RGB陣列需要分次轉貼紅、藍、綠三色的晶粒，需要嵌入幾十萬(wàn)顆LED晶粒,對于LED晶粒光效、波長(cháng)的一致性、良率要求更高，同時(shí)分bin的成本支出也是阻礙量產(chǎn)的技術(shù)瓶頸。

Micro-LED的成長(cháng)史

　　LED技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了近三十年，最初只是作為一種新型固態(tài)照明光源，之后雖應用于顯示領(lǐng)域，卻依然只是幕后英雄——背光模組。如今，LED逐漸從幕后走向臺前，迎來(lái)最蓬勃發(fā)展的時(shí)期。如今它已多次出現在各種重要場(chǎng)合，在顯示領(lǐng)域扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。

　　▲圖1  LED在 ①鳥(niǎo)巢 ②水立方 ③上海世博會(huì )上的應用

　　LED之所以能夠成為當前的關(guān)注焦點(diǎn)，主要歸功于它許多得天獨厚的優(yōu)點(diǎn)。它不僅能夠自發(fā)光，尺寸小，重量輕，亮度高，更有著(zhù)壽命更長(cháng)，功耗更低，響應時(shí)間更快，及可控性更強的優(yōu)點(diǎn)。這使得LED有著(zhù)更廣闊的應用范圍，并由此誕生出更高科技的產(chǎn)品。

▲圖2  LED 大尺寸顯示屏（分辨率較低）

▲圖3  8×8 LED陣列與micro-LED陣列的對比

　　如今，LED大尺寸顯示屏已經(jīng)投入應用于一些廣告或者裝飾墻等。然而其像素尺寸都很大，這直接影響了顯示圖像的細膩程度，當觀(guān)看距離稍近時(shí)其顯示效果差強人意。此時(shí)，micro-LED display 應運而生，它不僅有著(zhù)LED的所有優(yōu)勢，還有著(zhù)明顯的高分辨率及便攜性等特點(diǎn)。

　　當前micro-LED display的發(fā)展主要有兩種趨勢。一個(gè)是索尼公司的主攻方向——小間距大尺寸高分辨率的室內/外顯示屏。另一種則是蘋(píng)果公司正在推出的可穿戴設備(如 Apple Watch)，該類(lèi)設備的顯示部分要求分辨率高、便攜性強、功耗低亮度高，而這些正是micro-LED的優(yōu)勢所在。

　　Micro-LED display 已經(jīng)發(fā)展了十數年，期間世界上多個(gè)項目組發(fā)布成果并促進(jìn)著(zhù)相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。例如，2001年日本Satoshi Takano團隊公布了他們的研究的一組micro-LED陣列。

　　該陣列采用無(wú)源驅動(dòng)方式，且使用打線(xiàn)連接像素與驅動(dòng)電路，并將紅綠藍三個(gè)LED芯片放置在同一個(gè)硅反射器上，通過(guò)RGB的方式實(shí)現彩色化。該陣列雖初見(jiàn)成效，但也有著(zhù)不容忽視的缺點(diǎn)，其分辨率與可靠性都還很低，不同LED的正向導通電壓差別比較大[1]。

　　同年，H. X. Jiang團隊也同樣做出了一個(gè)無(wú)源矩驅動(dòng)的10×10 micro-LED array。這個(gè)陣列創(chuàng )新性的使用四個(gè)公共n電極和100個(gè)獨立p電極。并采用復雜的版圖設計以盡量最優(yōu)化連線(xiàn)布局。雖然顯示效果有一定的進(jìn)步，但沒(méi)有解決集成能力低的問(wèn)題[2]。

　　▲圖4  H. X. Jiang團隊的10×10 陣列連線(xiàn)布局

　　另一個(gè)比較突出的成果是在2006年由香港科技大學(xué)團隊公布的。同樣采用無(wú)源驅動(dòng)，使用倒裝焊技術(shù)集成Micro-LED 陣列[3]。但是同一行像素的正向導通電壓也差別比較大，而且當該列亮起的像素數目不同時(shí)，像素的亮度也會(huì )受到影響，亮度的均勻性還不夠好。

　　▲圖5  香港科技大學(xué)團隊成果展示

　　2008年，Z. Y. Fan團隊公布另一個(gè)無(wú)源驅動(dòng)的120×120的微陣列，其芯片尺寸為3.2mm×3.2mm，像素尺寸為20×12μm，像素間隔為22μm。尺寸方面已經(jīng)明顯得到優(yōu)化，但是，依然需要大量的打線(xiàn)，版圖布局仍然十分復雜[4]。

　　而同年Z. Gong團隊公布的微陣列，依然采用無(wú)源矩陣驅動(dòng)，并使用倒裝焊技術(shù)集成。該團隊做出了藍光(470nm)micro-LED陣列和UV micro-LED(370nm)陣列，并成功通過(guò)UV LED陣列激發(fā)了綠光和紅光量子點(diǎn)證明了量子點(diǎn)彩色化方式的可行性[5]。

▲圖6 UV micro-LED 陣列

　　▲ 圖7 Micro-LED 陣列與Si-CMOS的集成

　　此外，在該年，B. R. Rae 團隊成功集成了 Si-CMOS 電路，該電路可為UV LED提供合適的電脈沖信號，并集成了SPAS (single photo avalanche diode )探測器，主要應用于在便攜式熒光壽命讀寫(xiě)器。然而其驅動(dòng)能力比較弱，且工作電壓很高[6]。

　　2009年，香港科技大學(xué)Z. J. Liu所在團隊利用UV micro-LED陣列激發(fā)紅綠藍三色熒光粉，得到了全彩色的微LED顯示芯片[7]。2010年該團隊分別利用紅綠藍三種LED外延片制備出360 PPI的微LED顯示芯片[8]，并把三個(gè)芯片集成在一起實(shí)現了世界上首個(gè)去背光源化的全彩色微LED投影機[9]。

▲圖8  世界上首個(gè)去背光源的全彩色micro-LED投影機

　　之后，Z. J. Liu所在的香港科技大學(xué)團隊與中山大學(xué)團隊合力將微LED顯示的分辨率提高到1700 PPI，像素點(diǎn)距縮小到12微米，采用無(wú)源選址方式+倒裝焊封裝技術(shù)[10]。與此同時(shí)他們還成功制備出分辨率為846 PPI的WQVGA 有源選址微LED顯示芯片，并在該芯片中集成了光通訊功能[11]。

▲圖9 1700 PPI micro-LED微顯示芯片

　　這些僅是micro-LED發(fā)展歷史中比較重要的一些成果。之后，關(guān)于micro-LED的探索不斷深入，更多的進(jìn)展不斷被公布，包括進(jìn)一步減小尺寸，提高亮度的均勻性等，關(guān)于其驅動(dòng)方式，制備工藝及彩色化的實(shí)現等方面也有著(zhù)諸多討論，這些將在后續系列中進(jìn)行介紹。

　　作者：劉召軍 張珂

　　Micro-LED display彩色化的3大主要技術(shù)手段

　　Micro-LED display的彩色化是一個(gè)重要的研究方向。在當今追求彩色化以及其高分辨率高對比率的嚴峻趨勢下，世界上各大公司與研究機構提出多種解決方式并在不斷拓展中，本文將對主要的幾種Micro-LED彩色化實(shí)現方法進(jìn)行討論，包括RGB三色LED法、UV/藍光LED+發(fā)光介質(zhì)法、光學(xué)透鏡合成法。

　　一、 RGB三色LED法

　　RGB-LED全彩顯示顯示原理主要是基于三原色(紅、綠、藍)調色基本原理。眾所周知，RGB三原色經(jīng)過(guò)一定的配比可以合成自然界中絕大部分色彩。同理，對紅色-、綠色-、藍色-LED，施以不同的電流即可控制其亮度值，從而實(shí)現三原色的組合，達到全彩色顯示的效果，這是目前LED大屏幕所普遍采用的方法[1]。

　　在RGB彩色化顯示方法中，每個(gè)像素都包含三個(gè)RGB三色LED。一般采用鍵合或者倒裝的方式將三色LED的P和N電極與電路基板連接，具體布局與連接方式如圖1所示[2]。

　　之后，使用專(zhuān)用LED全彩驅動(dòng)芯片對每個(gè)LED進(jìn)行脈沖寬度調制(PWM)電流驅動(dòng)，PWM電流驅動(dòng)方式可以通過(guò)設置電流有效周期和占空比來(lái)實(shí)現數字調光。例如一個(gè)8位PWM全彩LED驅動(dòng)芯片，可以實(shí)現單色LED的28=256種調光效果，那么對于一個(gè)含有三色LED的像素理論上可以實(shí)現256*256*256=16,777,216種調光效果，即16,777,216種顏色顯示。具體的全彩化顯示的驅動(dòng)原理如圖2所示[2]。

　　但是事實(shí)上由于驅動(dòng)芯片實(shí)際輸出電流會(huì )和理論電流有誤差，單個(gè)像素中的每個(gè)LED都有一定的半波寬(半峰寬越窄，LED的顯色性越好)和光衰現象，繼而產(chǎn)生LED像素全彩顯示的偏差問(wèn)題。

　　▲圖1 RGB全彩色顯示的單像素布局示意圖

　　▲圖2 RGB全彩色顯示驅動(dòng)原理示意圖

　　二、 UV/藍光LED+發(fā)光介質(zhì)法

　　UV LED(紫外LED)或藍光LED+發(fā)光介質(zhì)的方法可以用來(lái)實(shí)現全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 則需激發(fā)紅綠藍三色發(fā)光介質(zhì)以實(shí)現RGB三色配比; 如使用藍光micro-LED則需要再搭配紅色和綠色發(fā)光介質(zhì)即可，以此類(lèi)推。該項技術(shù)在2009年由香港科技大學(xué)劉紀美教授與劉召軍教授申請專(zhuān)利并已獲得授權(專(zhuān)利號：US 13/466,660, US 14/098,103)。

　　發(fā)光介質(zhì)一般可分為熒光粉與量子點(diǎn)(QD: Quantum Dots)。納米材料熒光粉可在藍光或紫外光LED的激發(fā)下發(fā)出特定波長(cháng)的光，光色由熒光粉材料決定且簡(jiǎn)單易用，這使得熒光粉涂覆方法廣泛應用于LED照明，并可作為一種傳統的micro-LED彩色化方法。

　　熒光粉涂覆一般在micro-LED與驅動(dòng)電路集成之后，再通過(guò)旋涂或點(diǎn)膠的方法涂覆于樣品表面。圖3則是一種熒光粉涂覆方法的應用，其中(a)圖顯示一個(gè)像素單元中包含紅綠藍4個(gè)子像素，圖(b)則顯示了micro-LED點(diǎn)亮后的彩色效果[3]。

　　該方式直觀(guān)易懂卻存在不足之處，其一熒光粉涂層將會(huì )吸收部分能量，降低了轉化率;其二則是熒光粉顆粒的尺寸較大，約為1-10微米，隨著(zhù)micro-LED 像素尺寸不斷減小，熒光粉涂覆變的愈加不均勻且影響顯示質(zhì)量。而這讓量子點(diǎn)技術(shù)有了大放異彩的機會(huì )。

　　(a)                                 (b)

▲圖3  熒光粉彩色化micro-LED的像素設計及顯示效果

　　量子點(diǎn)，又可稱(chēng)為納米晶，是一種由II-VI族或III-V族元素組成的納米顆粒。量子點(diǎn)的粒徑一般介于1～10nm之間，可適用于更小尺寸的micro-display。量子點(diǎn)也具有電致發(fā)光與光致放光的效果，受激后可以發(fā)射熒光，發(fā)光顏色由材料和尺寸決定，因此可通過(guò)調控量子點(diǎn)粒徑大小來(lái)改變其不同發(fā)光的波長(cháng)。

　　當量子點(diǎn)粒徑越小，發(fā)光顏色越偏藍色;當量子點(diǎn)越大，發(fā)光顏色越偏紅色。量子點(diǎn)的化學(xué)成分多樣，發(fā)光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個(gè)可見(jiàn)區。而且具有高能力的吸光-發(fā)光效率、很窄的半高寬、寬吸收頻譜等特性，因此擁有很高的色彩純度與飽和度。且結構簡(jiǎn)單，薄型化，可卷曲，非常適用于micro-display的應用[4]。

　　目前常采用旋轉涂布、霧狀噴涂技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)量子點(diǎn)技術(shù)，即使用噴霧器和氣流控制來(lái)噴涂出均勻且尺寸可控的量子點(diǎn)，裝置與原理示意圖如圖4所示[5]。將其涂覆在UV/藍光LED上，使其受激發(fā)出RGB三色光，再通過(guò)色彩配比實(shí)現全彩色化，如圖5所示[5]。

　　但是上述技術(shù)存在的主要問(wèn)題為各顏色均勻性與各顏色之間的相互影響，所以解決紅綠藍三色分離與各色均勻性成為量子點(diǎn)發(fā)光二極管運用于微顯示器的重要難題之一。

　　此外，當前量子點(diǎn)技術(shù)還不夠成熟，還存在著(zhù)材料穩定性不好、對散熱要求高、且需要密封、壽命短等缺點(diǎn)。這極大了限制了其應用范圍，但隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步和成熟，我們期待量子點(diǎn)將有機會(huì )扮演更重要的角色。

▲ 圖4 (a)高精度霧化噴涂系統(Aerosol jet technology)及其(b)原理圖。

　　▲圖5 利用高精度噴涂技術(shù)制作紅、綠、藍三原色陣列示意圖

　　三、 光學(xué)透鏡合成法

　　透鏡光學(xué)合成法是指通過(guò)光學(xué)棱鏡(Trichroic Prism)將RGB三色micro-LED合成全彩色顯示。具體方法是是將三個(gè)紅、綠、藍三色的micro-LED陣列分別封裝在三塊封裝板上，并連接一塊控制板與一個(gè)三色棱鏡。

　　之后可通過(guò)驅動(dòng)面板來(lái)傳輸圖片信號，調整三色micro-LED陣列的亮度以實(shí)現彩色化，并加上光學(xué)投影鏡頭實(shí)現微投影。整個(gè)系統的實(shí)物圖與原理圖如圖6所示，顯示效果如圖7所示[6]。

▲圖6棱鏡光學(xué)合成法的a), b) 實(shí)物圖，c) 原理示意圖

▲圖7棱鏡光學(xué)合成法的顯示效果

　　作者：

　　劉召軍 彭燈 張珂 (中山大學(xué))

　　郭浩中 佘慶威 (臺灣交通大學(xué))

　　解密Micro-LED三種不同的驅動(dòng)方式

　　劉召軍 張珂

　　Micro-LED是電流驅動(dòng)型發(fā)光器件，其驅動(dòng)方式一般只有兩種模式：無(wú)源選址驅動(dòng)(PM：Passive Matrix，又稱(chēng)無(wú)源尋址、被動(dòng)尋址、無(wú)源驅動(dòng)等等)與有源選址驅動(dòng)(AM：Active Matrix，又稱(chēng)有源尋址、主動(dòng)尋址、有源驅動(dòng)等)，本文還將分析一種 “半有源”選址驅動(dòng)方式。這幾種模式具有不同的驅動(dòng)原理與應用特色，下面將通過(guò)電路圖來(lái)具體介紹其原理。

　　什么是PM驅動(dòng)模式?

　　無(wú)源選址驅動(dòng)模式把陣列中每一列的LED像素的陽(yáng)極(P-electrode)連接到列掃描線(xiàn)(Data Current Source)，同時(shí)把每一行的LED像素的陰極(N-electrode)連接到行掃描線(xiàn)(Scan Line)。

　　當某一特定的第Y列掃描線(xiàn)和第X行掃描線(xiàn)被選通的時(shí)候，其交叉點(diǎn)(X，Y)的LED像素即會(huì )被點(diǎn)亮。整個(gè)屏幕以這種方式進(jìn)行高速逐點(diǎn)掃描即可實(shí)現顯示畫(huà)面，如圖1所示。[1,2]這種掃描方式結構簡(jiǎn)單，較為容易實(shí)現。

　　但不足之處是連線(xiàn)復雜(需要X+Y根連線(xiàn))，寄生電阻電容大導致效率低，像素發(fā)光時(shí)間短(1場(chǎng)/XY)從而導致有效亮度低，像素之間容易串擾，并且對掃描信號的頻率需求較高。

　　另外一種優(yōu)化的無(wú)源選址驅動(dòng)方式是在列掃描部分加入鎖存器，其作用是把某一時(shí)刻第X行所有像素的列掃描信號(Y1, Y2… … Yn)提前存儲在鎖存器中。

　　當第X行被選通后，上述的Y1-Yn信號同時(shí)加載到像素上[3]。這種驅動(dòng)方式可以降低列驅動(dòng)信號頻率，增加顯示畫(huà)面的亮度和質(zhì)量。但仍然無(wú)法克服無(wú)源選址驅動(dòng)方式的天生缺陷：連線(xiàn)龐雜，易串擾，像素選通信號無(wú)法保存等。而有源選址驅動(dòng)方式為上述困難提供了良好的解決方案。

　　什么是AM驅動(dòng)模式?

　　在有源選址驅動(dòng)電路中，每個(gè)Micro-LED像素有其對應的獨立驅動(dòng)電路，驅動(dòng)電流由驅動(dòng)晶體管提供?；镜挠性淳仃囼寗?dòng)電路為雙晶體管單電容(2T1C：2 Transistor 1 Capacitor)電路，如圖2所示[4]。

圖2 有源選址驅動(dòng)方式

　　每個(gè)像素電路中使用至少兩個(gè)晶體管來(lái)控制輸出電流，T1為選通晶體管，用來(lái)控制像素電路的開(kāi)或關(guān)。T2是驅動(dòng)個(gè)晶體管，與電壓源聯(lián)通并在一場(chǎng)(Frame)的時(shí)間內為Micro-LED提供穩定的電流。

　　該電路中還有一個(gè)存儲電容C1來(lái)儲存數據信號(Vdata)。當該像素單元的掃描信號脈沖結束后，存儲電容仍能保持驅動(dòng)晶體管T2柵極的電壓，從而為Micro-LED像素源源不斷的驅動(dòng)電流，直到這個(gè)Frame結束。

　　2T1C驅動(dòng)電路只是有源選址Micro-LED的一種基本像素電路結構，它結構較為簡(jiǎn)單并易于實(shí)現。但由于其本質(zhì)是電壓控制電流源(VCCS)，而Micro-LED像素是電流型器件，所以在顯示灰度的控制方面會(huì )帶來(lái)一定的難度，這一點(diǎn)我們在后面的《Micro-LED的彩色化與灰階》部分中會(huì )討論。

　　劉召軍博士課題組曾提出一種4T2C的電流比例型Micro-LED像素電路，采用電流控制電流源(CCCS)的方式，在實(shí)現灰階方面具有優(yōu)勢[5]。

　　什么是“半有源”選址驅動(dòng)方式

　　另外需要提及的是一種 “半有源”選址驅動(dòng)方式[6]。這種驅動(dòng)方式采用單晶體管作為Micro-LED像素的驅動(dòng)電路(如圖3所示)，從而可以較好地避免像素之間的串擾現象。

　　三大驅動(dòng)方式對比

　　與無(wú)源選址相比，有源選址方式有著(zhù)明顯的優(yōu)勢，更加適用于Micro-LED這種電流驅動(dòng)型發(fā)光器件?，F詳細分析如下：

　?、?nbsp;有源選址的驅動(dòng)能力更強，可實(shí)現更大面積的驅動(dòng)。而無(wú)源選址的驅動(dòng)能力受外部集成電路驅動(dòng)性能的影響，驅動(dòng)面積于分辨率受限制。

　?、?nbsp; 有源選址有更好的亮度均勻性和對比度。在無(wú)源選址方式中，由于外部驅動(dòng)集成電路驅動(dòng)能力的有限，每個(gè)像素的亮度受這一列亮起像素的個(gè)數影響。一般來(lái)說(shuō)，同一列的Micro-LED像素共享外部驅動(dòng)集成電路的一個(gè)或多個(gè)輸出引腳的驅動(dòng)電流。

　　所以，當兩列中亮起的像素個(gè)數不一樣的時(shí)，施加到每個(gè)LED像素上的驅動(dòng)電流將會(huì )不一樣，不同列的亮度就會(huì )差別很大。這個(gè)問(wèn)題將會(huì )更加嚴重地體現在大面積顯示應用中，如LED電視與LED大屏幕等。同時(shí)隨著(zhù)行數和列數的增加，這個(gè)問(wèn)題也會(huì )變得更嚴峻。

　?、?nbsp; 有源選址可實(shí)現低功耗高效率。大面積顯示應用需要比較大的像素密度，因此就必須盡可能減小電極尺寸，而驅動(dòng)顯示屏所需的電壓也會(huì )極大的上升，大量的功率將損耗在行和列的掃描線(xiàn)上，從而導致效率低下。

　?、?nbsp; 高獨立可控性。無(wú)源選址中，較高的驅動(dòng)電壓也會(huì )帶來(lái)第二個(gè)麻煩，即串擾，也就是說(shuō)，在無(wú)源選址LED陣列中，驅動(dòng)電流理論上只從選定的LED像素通過(guò)，但周?chē)钠渌袼貙?huì )被電流脈沖影響，最終也會(huì )降低顯示質(zhì)量。有源選址方式則通過(guò)由選通晶體管和驅動(dòng)晶體管構成的像素電路很好的避免了這種現象。

　?、?nbsp;更高的分辨率。有源選址驅動(dòng)的更適用于高PPI高分辨率的Micro-LED顯示。

　　而第三種“半有源”驅動(dòng)雖然可以較好地避免像素之間的串擾現象，但是由于其像素電路中沒(méi)有存儲電容，并且每一列的驅動(dòng)電流信號需要單獨調制，并不能完全達到上面列出的有源選址驅動(dòng)方式的全部?jì)?yōu)勢。

　　以藍寶石襯底上外延生長(cháng)的藍光Micro-LED為例，像素和驅動(dòng)晶體管T2的連接方式有圖4所示的4種。但由于LED外延生長(cháng)結構是p型氮化鎵(GaN)在最表面而n型氮化鎵在底層，如圖5所示。

　　從制備工藝角度出發(fā)驅動(dòng)晶體管的輸出端與Micro-LED像素的p電極連接較為合理，即圖4中的(a)和(c)。圖4(a)中Micro-LED像素連接在N型驅動(dòng)晶體管的源極(Source)。由外延生長(cháng)(Epitaxial Growth)、制備工藝、及器件老化所產(chǎn)生的不均勻性所導致的Micro-LED電學(xué)特性的不均勻性將會(huì )直接影響驅動(dòng)晶體管的VGS，從而造成顯示圖像的不均勻。

　　而圖4(c)中的Micro-LED像素連接在P型驅動(dòng)晶體管的漏極(Drain)，可以避免上述影響，其電流-電壓關(guān)系圖6所示。因此，有P管像素電路驅動(dòng)Micro-LED較為適宜。

　　圖6 Micro-LED與驅動(dòng)晶體管的電流-電壓關(guān)系

　　MicroLED的真正技術(shù)難點(diǎn)

　　截止今日，LED都沒(méi)有被用作為小間距顯示屏中的直接發(fā)光元件，即像素。這種現象是由許多問(wèn)題造成的，包括成本和制造可行性。但是，使用MicroLED和亞毫米像素間距生產(chǎn)顯示屏的想法可以追溯到LED起步時(shí)期。

　　在過(guò)去五年中，開(kāi)發(fā)基于MicroLED的顯示器興趣大增，尤其是2014年蘋(píng)果公司收購Luxvue之后。去年10月，Facebook收購沉浸式虛擬現實(shí)技術(shù)公司Oculus;而今年5月，夏普收購了另外一家MicroLED的新創(chuàng )公司eLux，以及最近Google注資瑞典Micro LED制造商Glo。

　　鑒于這些收購，證明microLED不只僅是停留在實(shí)驗室。那么，這些大品牌為什么對這項技術(shù)這么感興趣呢?因為microLED可以將獨立的紅色、綠色和藍色子像素作為獨立可控的光源，能夠形成具有高對比度、高速和寬視角的顯示器。

　　事實(shí)上，MicroLED顯示器比OLED的對手要強很多，因為MicroLED有更寬的色域、帶來(lái)更高的亮度、更低的功耗、更長(cháng)的使用壽命、更強的耐用性和更好的環(huán)境穩定性。此外，如蘋(píng)果最近的專(zhuān)利文件所示，MicroLED可以集成傳感器和電路，實(shí)現具有嵌入式感測功能的薄型顯示器，如指紋識別和手勢控制。

　　雖然MicroLED仍然還未進(jìn)入市場(chǎng)，但是它們還不只是停留在紙上的想法。在2012年1月的“International CES”上，索尼就展出了1920×1080像素的55英寸MicroLED顯示器，包含620萬(wàn)個(gè)子像素，每個(gè)都是可獨立控制的MicroLED芯片，受到媒體的強烈關(guān)注。但是，索尼對于商業(yè)化還沒(méi)有給出時(shí)間表，到目前為止，沒(méi)有一臺microLED電視機進(jìn)入市場(chǎng)。

　　MicroLED本質(zhì)上是一項很復雜的技術(shù)

　　今天，MicroLED還沒(méi)有一個(gè)普遍認可的定義。但是，一般來(lái)說(shuō)，MicroLED被認為是總表面小于2500 mm2的LED芯片。這相當于是50mm×50mm的正方形，或直徑為55mm的圓形芯片。 根據這一定義，microLED今天已經(jīng)出現在市場(chǎng)上了： 索尼在2016年再次亮相，采用小間距大型LED視頻墻的形式，傳統的LED封裝由MicroLED替代。

　　制造MicroLED顯示器的技術(shù)涉及方方面面：將LED基板加工成準備用于拾取和轉移到接收基板的MicroLED陣列，用于集成到非均勻集成的系統中：顯示器。顯示器又集成LED、像素驅動(dòng)晶體管、光學(xué)器件等。外延片可容納數億MicroLED芯片。

　　實(shí)現MicroLED顯示屏有兩個(gè)主要選項。一個(gè)是將MicroLED單獨或分組地拾取并轉移到薄膜晶體管驅動(dòng)矩陣上，這類(lèi)似于OLED顯示器中使用的;另一個(gè)是使用CMOS驅動(dòng)電路將數十萬(wàn)個(gè)MicroLED的完整單片陣列組合起來(lái)。

　　如果采用這兩種方法中的第一種，則組裝一個(gè)4K顯示器需要拾取、放置和單獨連接2500萬(wàn)個(gè)MicroLED芯片(假設沒(méi)有像素冗余)到晶體管背板。用傳統的拾放設備操縱這樣的小型設備，每小時(shí)的加工速度約為25,000個(gè)單位。這太慢了， 組裝單個(gè)顯示器將需要一個(gè)月的時(shí)間。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，像蘋(píng)果、X-Celeprint等數十家公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出大規模的并聯(lián)抓取技術(shù)。他們可以同時(shí)加工數萬(wàn)到數百萬(wàn)的MicroLED。但是，當MicroLED尺寸僅為10μm時(shí)，以足夠的精度加工和放置非常具有挑戰性。

　　還有一些與LED芯片相關(guān)的問(wèn)題要克服。當其尺寸非常小時(shí)，其性能會(huì )受到與表面和內部缺陷(例如開(kāi)放式粘合、污染和結構損壞)相關(guān)的側壁效應的影響。這些缺陷導致非輻射載體重組加速。側壁效應可以延伸到類(lèi)似于載體擴散長(cháng)度的距離(通常為1mm至10mm)：這在傳統的LED中并不重要，因為其具有數百微米的邊緣，但在MicroLED中卻是十分致命的。在這些設備中，它可以限制芯片整個(gè)體積的效率。

　　由于這些缺陷，MicroLED的峰值效率通常低于10%，當設備尺寸低于5mm時(shí)，它的峰值效率可能小于1%，這遠遠低于目前最好的傳統藍光發(fā)射的“macro”LED，它現在可以產(chǎn)生超過(guò)70%的外部量子峰值效率。

　　更糟的是，MicroLED通常必須以非常低的電流密度運行。它們通常在低于1-10 A cm-2峰值效率區域驅動(dòng)，因為即使在這種低效率下，LED也是非常明亮的。如果一臺帶MicroLED的手機以其最高效率運行，其顯示屏將提供高達數以萬(wàn)計nits的亮度，比目前市場(chǎng)上更亮的手機高出一個(gè)級別。屏幕會(huì )很亮，以至于膽大的用戶(hù)都不敢看。

　　當LED以非常低的電流密度工作時(shí)，它們的效率非常低，使得該技術(shù)不能實(shí)現其削減能量消耗的承諾。因此，解決這個(gè)問(wèn)題就成為MicroLED公司的優(yōu)先事項。提高效率的辦法包括引入新的芯片設計和改進(jìn)制造技術(shù)。這兩種方法都可以減少側壁缺陷并使電載體遠離芯片的邊緣。

　　MicroLEDs的開(kāi)發(fā)人員也面臨與色彩轉換、光提取和光束成形有關(guān)的挑戰。

　　現代顯示屏的另一個(gè)要求就是消除壞點(diǎn)或有缺陷的像素。在外延、芯片制造和轉移方面實(shí)現100%的綜合收益率是不太可能的，所以MicroLED顯示器制造商必須制定有效的缺陷管理策略，可以包括像素冗余和單個(gè)像素修復，這得取決于顯示器的特性和成本。

　　目前MicroLED最容易實(shí)現的領(lǐng)域

　　MicroLED能夠部署在從最小到最大的任何顯示應用中。在許多情況下，它們將比LCD和OLED顯示器的最終組合更好。但是，生產(chǎn)可行性和經(jīng)濟成本限制了其使用。然而，詳細的分析表明，智能手表和其他可穿戴產(chǎn)品，如AR / MR應用的微型顯示器，最能顯示MicroLED顯示器的性能。

　　其中，在智能手表上實(shí)現MicroLED是最有可能的，因為智能手表具有相對較少的像素數和中等范圍的像素密度，因此，芯片和組裝成本效率高，也最接近MicroLED當前技術(shù)發(fā)展的狀態(tài)。它們具有潛在的差異化功能，包括能夠延長(cháng)電池壽命、降低功耗以及更高的亮度，從而提供戶(hù)外環(huán)境下良好的可讀性。

　　如果這些顯示器開(kāi)始大量出現，那么在顯示器前端平面內可引入各種傳感器，例如可以讀取指紋并提供手勢識別。

　　MicroLED的另一個(gè)主要機會(huì )就是增強現實(shí)(AR)和混合現實(shí)(MR)的頭戴式顯示器。在虛擬現實(shí)中，用戶(hù)佩戴完全封閉的頭戴式顯示器將其與外界視覺(jué)隔離;而AR和MR應用則將計算機生成的圖像覆蓋到現實(shí)世界中。

　　MicroLED顯示器是通過(guò)將晶片切割成微小器件，

　　并以并行拾取和放置技術(shù)將其轉移到晶體管底板

　　這些應用的要求之一是，覆蓋的圖像要足夠亮，可與環(huán)境光競爭，特別是在戶(hù)外應用中。

　　為了滿(mǎn)足這些條件，顯示器必須放在不引人注意的位置，使用光學(xué)效率小于10%的復合投影或波導光學(xué)器件將圖像投影到眼睛上。這些要求決定了顯示器的亮度范圍從10,000到50,000 Nits，這比市場(chǎng)上最好的手機的亮度高出10倍到50倍。

　　今天，MicroLED是唯一有潛力提供這些亮度水平的候選，同時(shí)保持合理的功耗和緊湊性。令人鼓舞的是，同樣的推理可以應用于汽車(chē)和其他環(huán)境中的平視顯示器中，這類(lèi)顯示器可以被認為是AR的一種形式。

　　MicroLED想努力產(chǎn)生影響的市場(chǎng)就是智能手機。目前，OLED顯示器已經(jīng)以非常有競爭力的成本提供了非常出色的性能。如果MicroLED也參與其中，則子像素的尺寸必須減小到幾微米，這樣的話(huà)，提供可接受的效率會(huì )更難。

　　在電視上取得成功的可能則更高。在這種情況下，缺點(diǎn)是像素密度相對較低，在4K、55英寸電視中的間距約為100毫米。低密度阻礙了轉移技術(shù)的效率，因為每個(gè)周期需要移動(dòng)數千個(gè)芯片，而智能手機或智能手表則是數十萬(wàn)個(gè)。想在這個(gè)市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展，就需要開(kāi)發(fā)替代的高效率裝配技術(shù)。

　　Micro LED核心技術(shù)在誰(shuí)手里?

　　在Micro LED的生產(chǎn)過(guò)程中，由于元件的微縮，有許多問(wèn)題尚待克服或改善，而制程中轉移技術(shù)則是產(chǎn)品能否量產(chǎn)且達商業(yè)產(chǎn)品之標準的關(guān)鍵。

　　依據顯示基板尺寸不同，大致可分二種轉移形式，第一種是小尺寸顯示基板，使用半導體制程整合技術(shù)，將LED直接鍵結于基板上，技術(shù)代表廠(chǎng)商為臺工研院，第二種是用于大尺寸(或無(wú)尺寸限制)的顯示基板，使用pick-and-place的技術(shù)，將Micro LED陣列上的畫(huà)素分別轉移到背板上，代表廠(chǎng)商為Apple (LuxVue)、X-Celeprint等，其他廠(chǎng)商例如Sony、eLux等亦有相關(guān)轉移技術(shù)。

　　Micro LED相關(guān)專(zhuān)利介紹

　　♦  臺工業(yè)技術(shù)研究院

　　(A) 專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)光元件的轉移方法以及發(fā)光元件陣列

　　公告號：TW I521690

　　優(yōu)先權：US 61/511,137

　　此篇專(zhuān)利系有關(guān)發(fā)光元件的轉移方法，步驟為先于基板1上形成多個(gè)LED陣列之排列，一個(gè)陣列為一種顏色的LED，例如圖1中紅光、綠光、藍光各自為一陣列。

　　轉移過(guò)程需要透過(guò)多次焊接步驟，依序將基板1上的LED移轉到基板2的預定位置，所以如圖2所示，每次焊接前先用保護層蓋住沒(méi)有要移轉的LED，再將要移轉的LED之導電凸塊與基板2的接墊接合，最后基板1的LED將全數轉移到基板2上。

　　圖1.  專(zhuān)利TW I521690之圖3(圖片來(lái)源：TIPO)

　　圖2.  專(zhuān)利TW I521690之圖H-J(圖片來(lái)源：TIPO)

　　在這篇專(zhuān)利中似乎沒(méi)有特別提及LED的尺寸或是與Micro LED相關(guān)的字詞，但在其具有相同優(yōu)先權的美國的對應案中，有提到發(fā)光元件為1至100微米，而間距(pitch)則可依實(shí)際產(chǎn)品之需求而調整，如圖3中說(shuō)明書(shū)內文以及表格所示。

　　圖3.  專(zhuān)利US 14/583594(圖片來(lái)源： USPTO)

　　(B) 專(zhuān)利名稱(chēng)：發(fā)光元件以及顯示器的制作方法

　　公告號：TW I590433

　　這件臺工研院的專(zhuān)利也是有關(guān)Micro LED的制造技術(shù)，但其方法與上一篇截然不同。首先，在基板上形成LED陣列，其中半導體磊晶結構、第一電極以及第二電極構成發(fā)光二極管芯片，而發(fā)光元件包含發(fā)光二極管芯片及球狀延伸電極，完成后將發(fā)光元件從基板移除

　　接著(zhù)透過(guò)噴嘴將發(fā)光元件噴出，借由發(fā)光元件與噴嘴的磨擦，使球狀延伸電極帶有靜電電荷，而接收基板的接點(diǎn)則透過(guò)電路結構傳送電訊號使其亦帶有靜電電荷，在說(shuō)明書(shū)的實(shí)施例中球狀延伸電極帶有正電荷而接點(diǎn)則帶有負電荷。

　　如圖4所示，透過(guò)例如搖篩的方式，使發(fā)光元件落入接收基板的開(kāi)孔中，由于球狀延伸電極的體積大于發(fā)光二極管芯片的體積，因此在落下的過(guò)程中，發(fā)光元件的球狀延伸電極轉向下落入孔中與皆點(diǎn)接觸。

　　圖4.  專(zhuān)利TW I590433之圖P、S、T(圖片來(lái)源：TIPO)

　　♦  Apple (LuxVue)

　　LuxVue在2014被Apple并購，其所擁有的Micro LED相關(guān)專(zhuān)利是眾家廠(chǎng)商中最多的，在轉移技術(shù)上其主要是采用靜電吸附的巨量轉移技術(shù)。

　　專(zhuān)利名稱(chēng)：Micro device transfer head array

　　公告號：US 9548233 B2

　　為了達到更好的轉移效率，使用巨量轉移技術(shù)的廠(chǎng)商不斷開(kāi)發(fā)出各式各樣的轉移頭，而Apple這篇專(zhuān)利的特殊之處在于其轉移頭具有雙極的結構，可以分別施予正負電壓。

　　轉移頭的平臺結構被介電層對半分離形成一對硅電極，當要抓取基板上的LED時(shí)，對一硅電極通正電，對另一硅電極通負電即可將目標LED拾取。

　　圖5.  US 9548233的Figs. 1B, 34, 35(圖片來(lái)源：USPTO)

　　♦  X-Celeprint

　　專(zhuān)利名稱(chēng)：Micro device transfer head array

　　公開(kāi)號：US 2017-0048976 A1

　　X-Celeprint的巨量轉移技術(shù)Micro-Transfer-Printing (μTP)是用壓印頭在LED上施壓，利用凡得瓦力讓LED附著(zhù)在壓印頭上后，再從來(lái)源基板上將其拾取，移至目標基板上的預定位置上后，壓印頭連同LED壓向目標基板，使LED上的連接柱插入背板接觸墊后完成LED轉移。

　　圖6.  專(zhuān)利US2017-0048976之Figs. 5-6(圖片來(lái)源：USPTO)

　　♦ eLux

　　據報導，鴻海將收購Micro LED新創(chuàng )公司eLux，該公司在專(zhuān)利上有二點(diǎn)值得注意。首先是其轉移技術(shù)與市場(chǎng)主流不同，其次是其在美國申請的專(zhuān)利，利用CIP方式大量串接Sharp與自己的專(zhuān)利(如圖8所示)。

　　專(zhuān)利名稱(chēng)：System and Method for the Fluidic Assembly of Emissive Displays

　　公開(kāi)號：2017-0133558 A1

　　eLux的轉移技術(shù)是利用刷桶在基板上滾動(dòng)，液體懸浮液中含有LED，進(jìn)而讓LED落入基板上的對應井中。

　　圖7.  專(zhuān)利US2017-0048976之Figs. 5-6(圖片來(lái)源：USPTO)

　　圖8.  eLux美國專(zhuān)利狀態(tài)(圖片來(lái)源：USPTO)

　　作者：王笠

　　準分子激光器提升Micro-LED制造工藝

　　原創(chuàng )： Rainer Paetzel

　　于無(wú)機 III-V 半導體(例如 GaN)的 Micro-LED (µLED) 可用于制造電效率、亮度、像素密度、使用壽命和應用范圍遠超現有技術(shù)的顯示屏，前景可觀(guān)。然而，要實(shí)現從當前 LED 器件(約 200 µm)到 µLED(約 20 µm)的過(guò)渡，必須有技術(shù)創(chuàng )新的支撐，尤其是實(shí)現 µLED 顯示屏組裝方面的創(chuàng )新。本文將介紹如何通過(guò)準分子激光器解決此加工過(guò)程中最為棘手的兩個(gè)難題。

　　激光剝離技術(shù) (LLO)

　　由于藍寶石晶片的晶格失配度和成本均相對較低，因此當前大多數 LED 制造工藝采用藍寶石晶片作為 MOCVD 晶體生長(cháng)的基板。但由于藍寶石的導熱和導電性較差，會(huì )限制可提取的光通量，因此藍寶石并非成品 GaN LED 的理想載體材料。其結果導致，在生產(chǎn)高亮度 GaN LED 的過(guò)程中，最后需要添加一步操作，將器件粘合到最終或臨時(shí)載體上，然后再將器件與“犧牲層”藍寶石基板分離。對于 µLED 而言，為了制造組成柔性顯示屏的小尺寸薄型器件，顯然必須去除藍寶石基板。

　　圖1. 通過(guò)激光剝離技術(shù)去除藍寶石基板的流程示意圖 a) 器件晶體生長(cháng)并附著(zhù)到載體基板 b) 激光束穿透藍寶石基板 c) 去除藍寶石基板

　　利用準分子激光器進(jìn)行激光剝離是去除藍寶石基板的最常用方法。在加工過(guò)程中，高強度激光脈沖會(huì )穿透藍寶石基板(波長(cháng) 248 nm 的準分子激光束可以穿透)，直接照射到 LED 晶片上。同時(shí)，GaN 層大量吸收紫外光，并有很薄的一層分解成鎵和氮氣。所形成的氣壓會(huì )把器件推離基板，在幾乎不對器件產(chǎn)生任何作用力的情況下實(shí)現器件與基板的分離。鎵可以用水或稀鹽酸洗掉，以保持器件表面的清潔。

　　除波長(cháng)外，準分子激光器的另外一個(gè)重要特性是脈沖短(約 10-20 ns)，這有助于抑制熱擴散并最大限度降低器件的熱負荷。此外，準分子激光器輸出的激光可以形成沿兩個(gè)軸能量均勻分布的細長(cháng)光束(平頂光束)。(圖 2)例如，相干公司 UVblade 系統提供的 155 mm x ~0.5 mm 光束的能量均勻度優(yōu)于 2% 標準方差(sigma)。如此一來(lái)，所有加工區域將接受相同且最佳的能量通量，從而避免在加工過(guò)程中遇到能量過(guò)沖或過(guò)大熱負荷的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題在能量強度呈高斯分布的其他激光加工中經(jīng)常出現。

　　圖2. UVblade (248 nm) 的 155 mm 激光束輪廓，含短軸 (SA) 和長(cháng)軸 (LA)。

　　請注意，兩個(gè)軸刻度的差異達到了兩個(gè)數量級。

　　準分子 LLO 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單脈沖過(guò)程，因此對激光束均勻度和穩定性的要求極高。激光器制造商相干公司已開(kāi)發(fā)了能夠滿(mǎn)足這一需求的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品提供卓越的脈沖穩定性(例如 < 1% rms)，能夠大大提高加工過(guò)程中的工藝控制并幫助用戶(hù)增大工藝區間。

　　圖3. 配備 LEAP 準分子激光器和光束光學(xué)元件的 UVblade LLO 系統。

　　作業(yè)過(guò)程中，準分子激光器光束掃掠基板，通過(guò)照射整個(gè)加工區域實(shí)現器件分離。如果要重點(diǎn)實(shí)現高產(chǎn)能，線(xiàn)束會(huì )相應調整，從而在單次掃描中完整覆蓋藍寶石晶片(2"、4" 或 6")。這種方法需要中等強度激光(例如 50 到 100 W)。有效熱膨脹系數失配導致的薄膜內應力會(huì )均勻釋放，從而進(jìn)一步降低對器件的影響。因此，這種 248 nm 方法是實(shí)現 LLO 最常用的方法。

　　另外一種 LLO 策略是使用尺寸較小的光束和光柵掃描整個(gè)晶片。如，相干公司有一種 UVblade 系統產(chǎn)生長(cháng) 26 mm，寬 0.5 mm 的光束，僅需掃描兩次即可覆蓋 2" 晶片。這種典型系統僅需要功率 30 W，波長(cháng) 248 nm 的激光。光柵掃描方法需要在掃描方向上實(shí)現單次照射的受控重疊，以及掃描之間的重疊。

　　激光誘導前向轉移 (LIFT)

　　組裝包含數百萬(wàn) µLED 芯片的高分辨率顯示屏面臨獨特的難題。在這個(gè)領(lǐng)域，248 nm 準分子激光器同樣是將GaN從原始載體精準剝離的理想選擇。生成的氮氣會(huì )膨脹并在 µLED 結構上產(chǎn)生機械力，從而把芯片從原始載體推向接收基板。通過(guò)結合使用大截面光束、掩膜板和投影光學(xué)元件，只需一次激光照射即可并行傳送多達 1000 個(gè)芯片。

　　該工藝還有另外一種方式，使用聚合物粘合劑把 µLED 預先組裝在臨時(shí)載體晶片或膠帶上。這些粘合劑極易吸收紫外線(xiàn)。在準分子激光的照射下，粘合劑會(huì )發(fā)生光化學(xué)分解反應，從而與 µLED 芯片分離并產(chǎn)生把芯片推向接收基板的作用力。照射聚合物膠帶或粘合劑所需的能量強度可能只有 LLO 所需能量的二十分之一到五分之一。這意味著(zhù)只需中等強度的激光，就可以達到非常高的處理速度。

　　圖4. µLED 組裝流程(使用 LLO 和 LIFT)示意圖。

　　總之，在顯示屏加工準分子激光退火 (ELA) 和高亮度 LED 激光剝離 (LLO) 領(lǐng)域有著(zhù)良好表現的準分子激光器，在新興的 µLED 領(lǐng)域也展現出了巨大潛力。準分子激光器擁有紫外線(xiàn)波長(cháng)短、脈沖短、高能量、高功率等特性，這讓它與 LED 制造領(lǐng)域常用的 III-V 材料極為契合。尤其是 248 nm 準分子激光器，能夠打破該應用領(lǐng)域目前使用的 266 nm 或 213 nm 固態(tài)激光器在性能方面的限制。這能夠推動(dòng)實(shí)現高生產(chǎn)率、高性?xún)r(jià)比的工藝策略。

　　韓KIMM研發(fā)Micro LED量產(chǎn)制造新技術(shù)卷軸轉移工藝

　　韓國未來(lái)創(chuàng )造科學(xué)部轄下的韓國機械材料研究院(KIMM)7月24日宣布，該研究所在全球首次采用“卷軸轉移工藝(roll transfer process)”研發(fā)Micro LED面板制造技術(shù)。

　　該研究所的納米應用力學(xué)團隊利用卷軸轉移工藝研發(fā)了“Micro LED面板”生產(chǎn)技術(shù)，發(fā)光效率提高三倍，功耗降低50%。利用這一研究成果，有望實(shí)現Micro LED顯示屏制造，比制造傳統LED顯示器快10,000倍。

　　卷對卷轉移工藝是韓國機械和材料研究所的專(zhuān)利技術(shù)，將TFT元件拾起并放置在所需的基板上，再將LED元件拾起并放置在放有TFT元件的基板上，從而完成結合了兩大要素的有源矩陣型Micro LED面板。

　　隨著(zhù)生產(chǎn)步驟的減少，生產(chǎn)速度大大提高。目前用于制造傳統LED顯示屏的固晶機每秒可在基板上貼裝1到10個(gè)LED，但是通過(guò)滾動(dòng)轉移技術(shù)，每秒可以轉移10,000余個(gè)LED。通過(guò)目前的方法生產(chǎn)全高清200萬(wàn)像素的100英寸數字標牌 需要30多天，但滾動(dòng)轉移工藝可以在一個(gè)小時(shí)內完成整個(gè)過(guò)程，并大大降低了加工成本。

　　X-Celeprint制作Micro LED陣列的μTP技術(shù)

　　μTP技術(shù)最初是由美國Illinois University的John A. Rogers等人利用犧牲層濕蝕刻和PDMS轉貼的技術(shù)，將Micro LED轉貼至可撓式基板或玻璃基板上來(lái)制作Micro LED陣列的技術(shù)，該技術(shù)于2006年Spin-out給Semprius公司，而2013年X-Celeprint獲得Semprius技術(shù)授權，并于2014年初開(kāi)始正式運營(yíng)。

　　什么是μTP技術(shù)

　　μTP技術(shù)，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，就是使用彈性印模(stamp)結合高精度運動(dòng)控制打印頭，有選擇的拾取(pick-up)微型元器件的陣列，并將其打印(printing)到目標基板上。

　　具體來(lái)說(shuō)就是，首先在“源”晶圓上制作微型芯片，然后通過(guò)移除半導體電路下面的犧牲層(sacrificial layer)進(jìn)行“釋放”(Release)，使微型芯片脫離原來(lái)的基板。隨后，用一個(gè)與“源”晶圓相匹配的微結構彈性印模來(lái)拾取微型芯片，并將其轉移到目標基板上。

　　該技術(shù)可以通過(guò)改變打印頭的速度，選擇性地調整彈性印模和被轉移器件之間的黏附力，從而準確地控制裝配工藝。當印模移動(dòng)較快時(shí)黏附力增大，從而使被轉移元件脫離源基板;相反地，當印模遠離鍵合界面且移動(dòng)較慢時(shí)，黏附力變得很小，被打印元件便會(huì )脫離印模，然后被轉印在目標基板。

　　上文提到的印?？梢酝ㄟ^(guò)定制化的設計實(shí)現單次拾取和打印多個(gè)器件，從而短時(shí)間內高效的轉移成千上萬(wàn)個(gè)器件，因此這項工藝流程可以實(shí)現大規模并行處理。

　　μTP技術(shù)實(shí)際應用中的工藝流程

　　微轉印工藝流程：圖1：彈性印模接近晶圓;圖2：彈性印模拾起芯片;圖3：彈性印模接近目標基板;圖4：印模將芯片“印刷”(放置)在目標基板上

　　據X-celeprint此前表示，該技術(shù)已經(jīng)在眾多“可印刷”微型器件中得到驗證，包括激光器、LED、太陽(yáng)能電池和各種材料(硅、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵和包括金剛石在內的介電薄膜)的集成電路。

　　基于GaAs的紅色microLED印刷案例

　　μTP技術(shù)轉印器件的原理過(guò)程

　　大多數情況下，需要轉印的半導體器件首先會(huì )從“源”晶圓上得到釋放，該方法利用了器件層下方的犧牲層(sacrificial layer)。

　　絕緣體上硅(SOI)晶圓的結構是在一層1微米厚的氧化層(Box: Barrier Oxide)上面制備一層5微米厚的單晶硅層。然后在單晶硅層上面采用標準SOI晶體管加工工藝制備各種器件和集成電路。不難看出SOI晶圓的氧化層可以作為天然的犧牲層，所以它將會(huì )是一種非常方便、隨時(shí)可用的“源”晶圓。

　　簡(jiǎn)單介紹一下SOI加工工藝：

　　首先按照CMOS工藝標準，用光刻和刻蝕的工藝對SOI晶圓表面的單晶硅層進(jìn)行圖形化，露出下面的Box層。然后對圖形化后的單晶硅進(jìn)行封裝保護。用氫氟酸刻蝕去除器件下方的BOx層，在此過(guò)程中ILD和布線(xiàn)層受到保護而不會(huì )損傷。

　　當器件下方的Box層被完全去除后，器件將會(huì )從晶圓中完全脫離出來(lái)，并通過(guò)器件層中的栓繩(Tether)來(lái)進(jìn)行位置固定。在轉印期間，栓繩(Tether)可以通過(guò)可控的方式斷裂或切開(kāi)。

　　氮化鎵晶體管在si晶圓(111)制作而成，反應離子刻蝕(RIE)將通過(guò)通孔穿過(guò)器件層，向下直至硅基板，實(shí)現單個(gè)器件的分離。在該步驟中使用了二氧化硅掩膜。通過(guò)等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)將氮化硅層沉積。氮化硅層不僅可以鈍化器件側壁，也可以用于錨定(Anchor)和栓繩(Tether)結構的形成。

　　而在氮化鎵芯片在印刷前，先會(huì )在COMS晶圓上施以一層半導體薄膜級樹(shù)脂。到了微轉印完成后，底層樹(shù)脂則被固化，再通過(guò)鎢化鈦和鋁金屬疊層濺射沉積，到減厚濕法刻蝕，最終形成器件的連接。