MicroLED技术路线分析

2021-11-10 13:50:09 0

近一两年,随着Micro LED显示等技术、产品、概念层出不穷,大家往往注重的是此技术理论上的未来发展前景,对技术本身存在的难点了解比较深入的报告和文章较少,以下转自雪球的文章分析的较为细致,可供参考!



图中展示了从蓝宝石和硅衬底尺寸的演进。关于衬底尺寸的大小,大家都在追求更大的尺寸。这是整个半导体IC工艺不断进步的趋势。大尺寸衬底,会带来良率的上升,带来整个成本的降低。尤其对于LED产业来说,蓝宝石衬底主流还是4英寸。基本上4英寸蓝宝石工艺,远远落后于硅衬底发展了五六十年的IC产业成熟的工艺。如果想要升级类IC工艺,衬底的尺寸至少要到6寸、8寸以上,才能够升级到与类IC工艺兼容。目前,对于蓝宝石来说,还相对比较困难。对于硅衬底来说,半导体工艺是兼容的,但还有一些材料生长的技术问题。



在衬底上面要生长LED发光层的材料,与现有LED外延技术相比,Micro-LED外延又有非常不一样的要求。Micro-LED作为显示应用,有更严格的要求。人的眼睛非常敏感,2nm波长差异,人的眼睛可以非常清晰的捕捉到,因此对于整个生产过程中,对外延的均匀性提出了更高的要求。普遍业界认为,外延的均匀性要做到2nm以内无分选,并且满足后续巨量转移的要求。此外,对衬底的翘曲率也要严格的卡控,这是为后续的芯片工艺所考虑,当Bow超过50μm时,后续的光刻工艺偏差会造成线宽卡控的困难,尤其是Micro-LED尺寸做到越小时,该部分操作越关键,所以Bow翘曲的控制,也是为了芯片工艺的良率和线宽的卡控。另外,整个Wafer表面的Particles和Defects需要严格控制,业界普遍认为要小于0.2cm2。对于4寸片来说,不能超过15个Defects或者Particles。这也对MOCVD设备和工艺环境都提出了新的技术要求。该图展示的是Vecco和Allos合作制作出的大尺寸效果,其中Std小于1nm。



Micro-LED产业的局限性。Yole总结了关于LED厂商、显示领域的厂商,以及做转移封装领域的厂商。这三块产业实际上非常分立。LED厂商一般来说局限于6英寸以下,主要为4英寸的显示及照明的技术应用。LED产业界人士对于显示屏的产业了解并不多。同时,做显示屏的厂商现在大部分用OLED、LCD成熟的技术,他们对于LED产业的Ⅲ-Ⅴ族的半导体材料外延、器件的制备、半导体工艺等没有经验。封装 Mass transfer、Pick and Place等技术目前是完全是空白的状态。所以这几个重大的领域之间是分裂的。怎么样想办法把LED和显示领域,新兴的transfer整合起来,是Micro-LED未来的关键。我们认为,硅衬底的Micro-LED外延技术是可以把两个产业链融合起来,硅衬底还可以把IC工艺一起整合起来。所以,硅衬底的Micro-LED技术可能是未来Micro-LED显示未来发展的一个关键。



为什么硅衬底目前还不是LED界的主流呢?主要是因为硅上面生长GaN材料比在蓝宝石上面生长GaN材料要困难得多。原因有以下几点。第一,GaN生长在Si上面,是一种异质外延。晶格常数适配达17%,是非常大的。第二,生长的条件在一千多度,生长后回到室温下会有一千度的温差,材料的热膨胀系数不同又会造成巨大的应力,GaN和Si有超过56%热膨胀系数的差异,所以材料生长困难。第三,GaN中的Ga原子本身与Si会发生刻蚀反应。如果把GaN直接长到Si上面,就会被刻蚀反应掉。所以现在国际上比较流行的是在Si上面生长AIN,作为缓冲层,在缓冲层上再生长GaN材料。这需要非常精细地控制AIN材料和界面,以及在缓冲层材料上生长高质量的GaN材料,这些都是当前技术方面的挑战。国际上也有一些尝试,比如刚才展示Allos、Vecco以及国内的厂商也在做这方面的工作和努力。我们研究院也有一些自己独特的技术。



波长的均匀性。用蓝宝石和硅两种不同的衬底时,生长时所有的衬底放在一个石墨盘上。通过加热石墨盘把温度热力传输到GaN和硅片上。在外延生长时,整个的波长对温度非常敏感,基本上两个表面温度差1℃,波长会有差异,比如蓝光会有2nm差异。如果整个Wafer内的均匀性达到小于2nm,意味着样品表面的温度不能超过1℃,这是非常有挑战的工作。对于现有的MOCVD设备来说,用Pyrometer用980nm激光测量表面的温度。对于硅来说,硅是一个不透明的物体,这束光可以直接打到硅上面,实时读取到硅片上表面的温度,进行实时控制。对于蓝宝石衬底来说就比较困难。蓝宝石是透明的材料,激光打过去,测到的是石墨盘的温度。通过间接的石墨盘温度的控制来控制蓝宝石表面的温度。所以在控温的直接性和有效性方面,硅比蓝宝石更好一些,对于提升波长的均匀性是有帮助的。



同时外延材料方面,大部分厂商硅基GaN材料,缺陷密度都超过3×108 cm2,相对于蓝宝石来说,缺陷密度比较大。对于未来Micro-LED需求需要把缺陷密度降到1×108 cm2 以下,才会和蓝宝石方面有竞争。对于降低缺陷密度来说,提升AIN材料质量非常关键。用现有的生产LED的MOCVD设备来说,有一些先天的局限性。比如反应器硬件的设计、Chamber设计都会需要一些新的设计提升。从外延材料生长工艺来说,也是有同样的问题,需要提升外延的质量。



总的来说,从衬底尺寸、晶体质量、衬底成本进一步分析蓝宝石与硅衬底。蓝宝石衬底最大做到6寸,硅衬底可以做到8寸,甚至12寸,这方面硅衬底有优势。晶体的质量方面,蓝宝石更好一些,硅衬底需要持续的优化,才能达到效果。波长均匀性,硅衬底控制更好一些。芯片工艺方面,硅衬底的芯片工艺不需要进行激光剥离,可以进行研磨去除,做到无损伤。蓝宝石衬底需要进行激光剥离损伤大。关于转移衬底,硅和硅同质转移衬底,有更好的性能。所以芯片性能总的来说,两者差不多,其中蓝宝石可以做倒装也可以做垂直,硅衬底只能做垂直。芯片可靠性方面,硅衬底无损伤的情况下,也有一些优势。所以从这个角度来说,未来要做到更大尺寸和后续工艺的结合,硅衬底是一个不错的选择。



Micro-LED芯片和LED芯片有一些不同的特征。LED芯片都是在大电流下照明区间,主要的工作希望减少大电流下的Droop效应。Micro-LED芯片在2A/cm2 以下工作区间里,主要是减少非辐射复合提升材料的质量。它与照明用的LED芯片是不一样的。同时,芯片工艺尺寸越来越小的情况下,效率峰值向大电流密度方向移动,即向右偏。而我们希望它能往左偏,所以这也是一个需要克服和解决的问题。



目前来说,倒装芯片结构和垂直芯片结构是主要的两种不同的Micro-LED芯片结构,对于分辨率高的来说,需要垂直结构,分辨率低的可以用倒装结构。因倒装结构电极在同一面,所以它的尺寸不能做到太小。倒装结构可以直接运用巨量转移工艺,垂直结构巨量转移后还需要额外的激光剥离工艺和电极工艺,工艺相对复杂。对于芯片成本来说,各有优缺点。



目前来说,市面上比较常见的Micro-LED芯片结构有三种。

1、Chip on Wafer,就是在整个Wafer出货,单片集成的方式会比较多一些。

2、弱化结构。该结构做巨量转移配合弹性膜或滚轴转移技术等。

3、完全放置在临时基板上的的Freestanding Chip on Carrier,该结构可以配合激光转移、弹性膜、滚轴转移技术。



芯片做好后要与驱动基板键合。目前讨论最多的两种键合方式是:巨量转移技术和单片集成技术。巨量转移技术将30微米以下尺寸的薄膜芯片从Wafer上转移到基板上,实现大面积应用。单片集成技术要么是精准的焊接到显示基板上,要么是整面的Wafer转移到基板上,然后再做半导体工艺,一个一个地分开,和基板上的驱动电路结合起来。这样的做完全受Wafer的限制,一般来说只适合做小面积高PPI显示,如AR/VR的应用



巨量转移技是目前非常热门的技术。目前已有很多报道,但是报道只是集中于专利,样机还是非常少见。因为各大公司的保密、技术方面的要求,所以工艺、精度、良率、转移速率、成本等综合性能指标,以及详细的设备资料鲜有公开。主要的六种方法,静电力、电磁力、范德华力印刷、滚筒式、激光以及自组装。哪种技术可以胜出,现在还是问号。现在只是Demo样品出来,但是其良率、成本还需要时间的检验。



关于电磁力吸附、静电吸附技术方案,因为很多的公司未公开,所以设备的开发情况还不了解。流体装配,有一些实验机,但是也不是特别的公开。现在大家听到比较多的是弹性印模转移。激光转移也有一些厂商宣称正在开发,市面上没有。所以这些都是未知数。



单片集成技术最开始Texas Tech University做的一颗芯片的对位键合技术,后续Strathclyde University、以及港科大/南科大都做了这样一些工作。还有一些整片Wafer的集成,比如国内北大青鸟、法国CEA-Leti、英国的Plessey。单片集成一般来说还处在单色光的阶段,还没有彩色的样品。



要做彩色的产品必须要进行混色技术。现在比较常用的有两种方式。一种是RGB,即蓝、绿、红三种不同的芯片通过三次巨量转移,转移到驱动电路上,实现混色。理论上会得到一个效果非常好的显示屏,但是因为三次巨量转移,三次不同的修复,三种不同材料体系的芯片工艺也会增加它的成本,这也是一个需要考虑的问题。



量子点混色技术是采用单色光显示屏,比如蓝光或紫光,然后用量子点进行混色。优点是只做一次巨量转移,成本低,易操作。但是量子点本身材料的稳定性,颜色的稳定性,还有能量的损失,这些都需要进一步开发。



量子点混色技术也是当前一个热门的技术。有四种不同的技术方案,包括喷墨打印技术,直接用量子点黑水喷进去,用布进电动机来控制每个滴墨位置,一个一个滴到想要的位置上。气雾喷流打印,是将量子点油墨雾化,然后喷到指定的位置。光刻技术,一种是网格式的,把量子点涂上去,然后再刮掉,得到自己想要的量子点模。另一种如图所示,光刻就像半导体的光刻工艺一样,通过黄光工艺,曝光牵引,最后得到想要的量子点的图案。弹性印章转印,类似于巨量转移,把量子点Pick up 提起来放置到想要的位置上,从而完成量子点的转移。



量子点未来线宽能够做到5微米以下,同时寿命也是一个考验,希望四五年以后,可以达到10000小时。量子效率提升到95%以上。这样的要求下,希望有新的材料不断涌现推动量子点技术的发展。



检测技术也是一个巨大的挑战。通常LED用探针检测,Micro-LED如何检测?如图所示。显微高光谱成像系统检测、非接触式PL检测、接触式光电检测、非接触式EL检测。



修复技术也是非常重要,任何一个显示屏最后的显示都希望良率超过六西格玛,即一万个像素中不能超过3个坏点。出现多余的坏点需要进行修复。因为现在没有任何一个半导体工艺,任何一个转移工艺,可以达到六西格玛良率。所以修复是一个必然的环节。在这个环节中,如何提升修复的效率、降低成本是关键的问题。目前主要提出两种不同的修复技术。一种是冗余电路修复,即做两个或多个冗余的电路,假设有一个不好的电路,则把它断掉,再重新转移一次。当检测出现问题以后,进行替换。另外一种选择性激光修复。当发现一个坏点,用激光打掉,再重新放置进行修复。



由于时间的关系,对于后续的一些驱动电路未有过多的提及。现在的驱动电路中,不管用TFT还是用CMOS,在原来LCD、OLED的显示中还需要进行重新调整,以适用于Micro-LED显示的需求,有相当多的工作需要去做。

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