在更早的“CES 2017”上,索尼就推出了以144片Micro LED拼接而成的CLEDIS 显现器。但无论是这儿提到的三星仍是索尼的产品,其选用的都是PM(Passive Matrix)技能,其背板技能无论是在其自身工艺上仍是在“巨量搬运”上,难度较LG推出的AM(Active Matrix)技能小不少。
那么,Micro LED的产品是不是立刻就会走进咱们的日子中呢?这儿让咱们来谈一谈这个技能。
Micro LED技能,即LED微缩化和矩阵化技能。指的是在一个芯片上集成的高密度细小尺度的LED阵列,如LED显现屏每一个像素可定址、独自驱动点亮,可看成是野外LED显现屏的微缩版,将像素点间隔从毫米级下降至微米级。
而Micro LED display,则是底层用正常的CMOS集成电路制造工艺制成LED显现驱动电路,然后再用MOCVD机在集成电路上制造LED阵列,然后完结了微型显现屏,也便是所说的LED显现屏的缩小版。
Micro LED的像素单元在100微米(P0.1)以下,并被高密度地集成在一个芯片上。微缩化使得Micro LED具有更高的发光亮度、分辨率与颜色饱和度,以及更快的显现响应速度,预期可以运用于对亮度要求较高的增强实际(AR)微型投影设备、车用平视显现器(HUD)投影运用、超大型显现广告牌等特别显现运用产品,并有望扩展到可穿戴/可植入器材、虚拟实际(VR)、光通讯/光互联、医疗勘探、智能车灯、空间成像等多个领域。
望文生义,Micro LED便是“微”LED,作为一种新显现技能,与其它显现技能,比方LCD,OLED,PDP,其间心的不同之处在于其选用无机LED作为发光像素。关于“Micro”这个概念,究竟界说是多少呢?像素尺度一般要到100m以下。
LED并不是一个新事物,作为发光二极管,其在显现上的运用本应该是水到渠成的工作。可是很长一段时刻,除了野外广告屏上的运用之外,LED显现运用一向不能发展起来,其原因是:a.要做到手机屏/电视这种等级的显现器,LED像素在尺度上难以做小;b. LED外延晶片与显现驱动工艺不兼容,且需考虑大尺度显现的问题,所以针对MicroLED需求敞开适宜的背板技能。c. 如何将“巨量”的三色细小LED搬运到制造好驱动电路的基底上去,即“巨量搬运”技能,也是决议Micro LED能否商业的要害。
因为像素单元低至微米量级,Micro LED显现产品具有多项功用指标优势。Micro LED功率消耗量仅为LCD的10%、OLED的50%,其亮度可达OLED的10倍,分辨率可达OLED的5倍。
在设备兼容性方面,Micro LED有望接受液晶显现高度老练的电流驱动TFT技能,在未来显现技能演进进程中具有必定优势。依据LEDinside预估,2022年MicroLED显现的商场销售额将到达6.94亿美元,略高于Mini LED显现。Micro LED与LCD、OLED和量子点LED(QLED)显现的功用比较如下表所示:
系将LED结构规划进行薄膜化、细小化、阵列化,其尺度仅在1~10m等级左右;后将LED批量式搬运至电路基板上(含下电极与晶体管),其基板可为硬性、软性之通明、不通明基板上;再运用物理堆积制程完结保护层与上电极,即可进行上基板的封装,完结一结构简略的Micro LED Display。
PN接面二极管,由直接能隙半导体资料构成。当上下电极施加一顺向偏压于LED,致使电流经过期,电子、电洞关于自动区(Active region) 复合,而发射出单一色光。LED发光频谱其主波长的半高全宽FWHM仅约20nm,可供给极高的色饱和度,一般可大于120%NTSC。
且自2008年后LED光电转化功率大幅进步,100 lm/W以上的LED已成量产之规范。而在Micro LED Display的运用上,为自发光的显现特性,辅以简直无光耗元件的简易结构,故可容易到达低能耗(10%~20% TFT-LCD能耗) 或高亮度(1000nits以上) 的显现器规划。即可处理现在显现器运用的两大问题,一是穿戴型设备、手机、平板等设备,有8成以上的能耗在于显现器上,低能耗的显现器技能可供给更长的电池续航力;一是环境光较强(例:野外、半野外)致使显现器上的印象泛白、辨识度变差的问题,高亮度的显现技能可使其运用的领域愈加广大。
Micro LED显现一般选用老练的多量子阱LED芯片技能。以典型的InGaN基LED芯片为例,Micro LED像素单元结构从下往上依次为蓝宝石衬底层、25nm的GaN缓冲层、3m的N型GaN层、包含多周期量子阱(MQW)的有源层、0.25m的P型GaN触摸层、电流扩展层和P型电极。像素单元加正向偏电压时,P型GaN触摸层的空穴和N型GaN层的电子均向有源层搬迁,在有源层电子和空穴产生电荷复合,复合后能量以发光办法开释。
与传统LED显现屏比较,MicroLED具有两大特征,一是微缩化,其像素巨细和像素距离从毫米级下降至微米级;二是矩阵化和集成化,其器材结构包含CMOS工艺制备的LED显现驱动电路和LED矩阵阵列。
InGaN基Micro LED的像素单元一般经过以下四个进程制备。第一步经过ICP刻蚀工艺,刻蚀沟槽至蓝宝石层,在外延片上阻隔出别离的长条形GaN渠道。第二步在GaN渠道上,经过ICP刻蚀,建立每个特定尺度的像素单元。第三步经过剥离工艺,在P型GaN触摸层上制造Ni/Au电流扩展层。第四步经过热堆积,在N型GaN层和P型GaN触摸层上制造Ti/Au欧姆触摸电极。其间,每一列像素的阴极经过N型GaN层共阴极衔接,每一行像素的阳极则有不同的驱动衔接办法,其驱动办法首要包含被迫选址驱动(PassiveMatrix,简称PM,又称无源寻址驱动)、自动选址驱动(ActiveMatrix,简称AM,又称有源寻址驱动)和半自动选址驱动三种办法。
其间,被迫选址驱动是把像素电极做成矩阵型结构,每一列(行)像素的阳(阴)极共用一个列(行)扫描线,两层电极之间经过堆积层进行电学阻隔,以一同选通第X行和第Y列扫描线的办法来点亮坐落第X行和第Y列的LED像素,高速逐点(或逐行)扫描各个像从来完结整个屏幕画面显现的形式。
自动选址驱动形式下,每个 Micro LED 像素有其对应的独立驱动电路,驱动电流由驱动晶体管供给。根本的自动矩阵驱动电路为双晶体管单电容电路。每个像素电路中,选通晶体管用来操控像素电路开关,驱动晶体管与电源连通为像素供给安稳电流,存储电容用来贮存数据信号。为了进步灰阶等显现才能,可以选用四晶体管双电容电路等杂乱的自动矩阵驱动电路。
半自动选址驱动办法选用单晶体管作为 Micro LED 像素的驱动电路,然后可以较好地防止像素之间的串扰现象。半自动驱动因为每列驱动电流信号需求独自调制,功用介于自动驱动和被迫驱动之间。
与LED显现相同,Micro LED芯片一般选用刻蚀和外延成长(Epitaxy,又称磊晶)的办法制备。芯片制造流程首要包含以下几步:
中心层制备,运用MOCVD进行气相外延,在高温条件下别离进行GaN缓冲层、N型GaN层、多层量子阱、P型GaN层成长制备。
台阶刻蚀,在外延片表面构成图形化光刻胶,之后运用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺刻蚀到N型GaN层。
导电层制备,在样品表面溅射氧化铟锡(ITO)导电层,光刻构成图形化ITO导电层。五是绝缘层制备,运用等离子体增强化学的气相堆积法(PECVD)堆积构成SiO2绝缘层,之后经光刻和湿法刻蚀。
电极制备,选用剥离法等办法制备出图形化光刻胶,电子束蒸发Au后运用高压剥离机对光刻胶进行剥离。
从运用来看,大尺度显现器显现屏因显现面积大以至于画素距离也较大,在背板的选用上会有PCB与Glass的挑选。中型尺度的车用显现器则不运用线宽线距较大的PCB,而以线宽线距极限略小于PCB 的Glass以及FPC为主。小尺度的手机与手表以合适中小型显现需求的玻璃与FPC的背板为主。
在微投影与显现的扩增实境/虚拟实境的背板显现需求将会微缩至30m等级以下,因而将会以可微缩线宽线距半导体制程的 Si CMOS 背板为主,并背调配眼镜需透光的需求也会有光学式FPC的运用需求。
从基板原料看,MicroLED芯片和背板的键合的基材首要有PCB、玻璃和硅基。依据线宽、线距极限的不同,可以调配不同的背板基材。其间,PCB 基板的运用最为老练。
别的CMOS工艺,其选用键合金属完结LED阵列与硅基CMOS驱动背板的电学与物理衔接。制造进程中,首要在CMOS驱动背板中经过喷溅工艺热堆积和剥离工艺等构成功用层,再经过倒装焊设备即可完结LED微显现阵列与驱动背板的对接。
如上面所讲,制造好的细小的LED需求搬运到做好驱动电路的基底上。想想看,无论是TV仍是手机屏,其像素的数量都是适当巨大的,而像素的尺度又是那么小,而且显现产品关于像素过错的容忍度也是很低的,没有人乐意去购买一块有“亮点”或“暗点”的显现屏,所以将这些小像素完美地搬运到做好驱动电路的衬底上并完结电路衔接是多么困难杂乱的技能。实际上,“巨量搬运”确实是现在Micro LED商业化上面的一大瓶颈技能。其搬运的功率,成功率都决议着商业化的成功与否。
现在看来,“巨量搬运”都仍是一个“量产前”技能,为了完结“巨量搬运”的方针,市面上一些适当不一样的技能。现在总结如下:
如上图所示,现在依据已有的资料查询显现,巨量搬运技能依照原理的不一样,首要分为四个门户:精准抓取,自拼装,挑选性开释和转印技能。
可是即便是归于同一个技能门户,完结的办法也是很有不同,因而很难给出一个精准的区分。如下列出在巨量搬运上展开开发的一些厂商:
要完结这个进程,关于source基板的处理适当要害,要让制备好的LED器材能顺畅地被弹性体资料(Elastomer)吸附并脱离源基底,先需求经过处理LED器材下面出现“镂空”的状况,器材只经过锚点(Anchor)和开裂链(Techer)固定在基底上面。当喷涂弹性体后,弹性体会与器材经过范德华力结合,然后将弹性体和基底别离,器材的开裂链产生开裂,一切的器材则依照本来的阵列排布,被搬运到弹性体上面。制造好“镂空”,“锚点”和“开裂点”的基底见下图所示。
X-Celeprint在其宣布在“2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference”上面的论文,展现了一些源基板制造的一些概念。如下图所示,经过对器材底部的一些处理,然后经过刻蚀的办法,可以制造成时分这种搬运办法的器材结构。可是详细的工艺,依然还有待承认。
运用磁力的原理,是在LED器材中混入铁钴镍等资料,使其带上磁性。在抓取的时分,运用电磁力操控,到达搬运的意图。
Luxvue是苹果公司在2016年收买的创业公司。其选用的是静电力的peak-place技能。其详细的完结细节我没有查到,只要如下的两个专利或许能透漏出其细节的片纸只字。期望后边能得到更多的细节。选用静电力的办法,一般选用具有双极结构的搬运头,在搬运进程中散布施加正负电压,当从衬底上抓取LED时,对一硅电极通正电,LED就会吸附到搬运头上,当需求把LED放到既定方位时,对别的一个硅电极通负电,搬运即可完结。
美国一家新创公司SelfArray展现了其开发的自拼装办法。首要,其将LED表面包覆一层热解石墨薄膜,放置在磁性渠道,在磁场引导下LED将快速排列到定位。选用这种办法,应该是先会处理磁性渠道,让磁性渠道能有规划好的阵列散布,而分割好的LED器材,在磁场的作用下能快速完结定位,然后仍是会经过像PDMS一类的中心介质,搬运到方针基底上去。依据估测,这种技能办法的优点有如下:
还有一家运用流体进行自拼装安装的企业是eLux。eLue于2016年在美国建立,eLux与日本夏普的根由很深,CEO Jong-Jan Lee与CTO Paul Schuele均出自夏普美国实验室(SharpLaboratories of America)。2017年富士康经过其子公司CyberNet Venture Capital向其注资1000万美元,2018年有于群创光电,AOT和夏普一同,正式收买eLux的悉数股权。所谓流体自拼装,便是运用流体的力气,让LED落入做好的特别结构中,到达自拼装的作用。
Uniqarta是一家英国公司,其选用其成为LEAP(Laser-Enabled Advanced Placement)技能。经过激光束对源基底的快速扫描,让其直接脱离源基板而集成到方针基板上。关于这种技能的远景,现在依然需求更多技能细节的支撑。
而Coherent的计划与Uniqarta有些相似,但其也要用到中介搬运的载体,不过关于载体和源基底的别离,其选用的是线激光束。而将LED器材从载体搬运到方针基底,则选用了点激光。
如下为KIMM公司的转印技能技能,转印技能经过滚轮将TFT与LED搬运到玻璃基底上面。关于这种技能,技能难度看起来非常大,特别是在于假如确保出产良率上面。
除了巨量搬运之外,Micro LED的整个工艺链都需求投入很多的时刻去予以改善和优化。如下图所示,为Micro LED产品出产的工艺链,其间就涉及到:衬底资料和尺度的挑选,外延工艺的挑选,五颜六色完结的计划,巨量搬运技能的挑选,缺点的检测和修理和整个工艺链上本钱的紧缩等等。这必将花费业界很多的时刻去继续推动。
Micro LED作为一种新式的显现技能,现在在业界得到了广泛的重视。因为其选用无机LED发光,所以较LCD,OLED等技能有共同的优势。可是,现在Micro LED收到一些瓶颈技能的约束,特别是巨量搬运工艺上,即便业界可以在有所突破,但要真实进步良率,下降本钱,也需求花费时日。而且,整个工艺链的完善也非朝日之功,因而,Micro LED要大规模量产并代替现有产品,应该还需求时刻。