MircoLED芯片制备技术研发进程

更新时间：2021-04-26 13:06:36 作者：创始人来源：

MicroLED显示技术，作为一种独特的显示器，可以应用于智能眼镜、ＡＲ／ＶＲ、头戴式显示器（ＨＭＤ）和抬头显示器（ＨＵＤ）等领域，受到业界内的广泛关注。

与传统LCD和OLED相比，Micro LED具有低功耗、高亮度、响应时间短和使用寿命长等优点。

本篇内容包含：

MicroLED微显示芯片结构
MicroLED芯片制备及优化
芯片小型化效应
多家大厂布局MicroLED

Mirco LED微显示芯片制备技术是显示应用的基础，国内外有大量人员进行了 Micro LED芯片制备技术的研究。

2012年，Guilhabert等如采用完全无掩膜工艺流程制备了 99%填充因子、520 nm 发射波长、32 X32的Micro LED阵列，该阵列展示出良好的光学和电学性能，最大输出光功率2 mW, 20mA下输出电压为4. 3V。

2017年,Xie等采用共P电极，单独可寻址N电极的结构制备Micro LED阵列，使得该阵列与基于NMOS晶体管的驱动电路兼容，可以获得高达450 MHz的调制带宽。

2019年，Chen等制造了有源矩阵高分辨率960 x 540的Micro LED阵列，像素大小为8um,像素间距为12. 8um，这是首次展示16：9高分辨率的显示屏。

同年，Geum等采用垂直堆叠和表面钝化的方法制造出超高分辨率Micro LED，利用分布式布拉格反射器（DBRs）作为键合介质去除颜色调制现象.

Micro LED微显示芯片结构

1倒装结构 Micro LED

传统的Micro LED芯片是正装结构，用蓝宝石做衬底，上面覆盖环氧树脂。

由于蓝宝石的导热性较差，量子阱有源区产生的热量不能及时的释放，而且蓝宝石衬底还会吸收从有源区发出的部分光线，此外，环氧树脂的导热性也很差，因此，热量只能靠芯片的引脚散出，这些因素严重影响了器件的可靠性。

鉴于此，出现了 Micro LED的倒装结构。

2011年，An等应制备了GaN基倒装结构Micro LED阵列，80 x 60的Micro LED的像素大小为35um，像素间距为50um；

在倒装芯片组装的过程中，Micro LED芯片通过Au-Au键合的方式粘接在硅座上

2018年，HORHG等制备了带有 3. 6um薄外延层和水平电极的倒装红光Micro LED , 结构如图1所示，当注入电流为5mA时，LED正向电压为1.8V,输出功率1. 9mW,外量子效率达到19% ,该结构证实了倒装结构具有发光区域大, 散热好,无线键合等优点。

2020年，林杰泓等闵采用倒装芯片键合的方式进行设计，结构如图所示，实现Micro LED显示屏的分辨率为640 x360。

2垂直结构 Micro LED

Micro LED垂直结构是指两个电极在LED结构的异侧，以图形化电极和p型GaN作为第二电极，使得电流全部垂直流过外延层。

2019年，Xu等提出了一种制造高效垂直InGaN Micro LED的新方法，将氟离子注入到N型GaN中来创建高阻选择性区域，也称电隔离区域，制备了直径10um、像素 25 X25的Micro LED阵列，如图3所示。

采用该结构的输出光功率密度在3. 06 kA/cm2时为43 W/cm2,并且由于有效的离子诱导热弛豫和较低的结温，Micro LED阵列的发光性能得到大幅提高。

2020年，Guo 等西研究了垂直结构Micro LED在玻璃基板上的晶圆级集成，使用SU-8光刻胶作为垂直LED的绝缘体材料，如图4所示，从而提高光提取效率，并减少子像素间的光串扰。

所制备的Micro LED尺寸为14um x28um，正向电压3V时电流达到6uA ,且反向漏电流在-5 V时为30pA，

在玻璃上的单片集成技术将在未来的高性能和低成本的可穿戴设备或手机显示器中发挥重要作用。

Micro LED芯片制备及优化

02光电集成芯片制备技术

将Micro LED与场效应晶体管单片集成，可以避免主动驱动的Micro LED由于巨量转移技术带来的良率下降等问题，并且具有低功耗、高速率、高可靠等突出优势

2016年,Tsuchiyama等通过晶片键合技术制备Si/SiO2/GaN结构，并在顶层P型Si上制备NMOS,通过金属铝将漏极与Micro LED的N电极相连，将Micro LED与MOSFET串联集成，

如图 5所示，该结构最大光响应频率可以达到10MHz,当电压为3V时，峰值外量子效率为6.7% 。

同年，香港科技大学刘纪美小组将LED与垂直结构增强型MOSFET集成在一起，VMOSFET通过导电氮化傢与 LED连接，不需要额外的金属互联，减小了寄生电阻，器件结构如图6所示，

最终LED-VMOSFET的开启电压为2.8V，当 Vdd为12，Vgs=10 V时，光输出功率可以达到240mW/cm2 。

2芯片巨量转移技术

巨量转移是指通过某种高精度设备将大量Micro LED晶粒转移到目标基板或者电路上。

巨量转移的难点在于如何将良率提升到99. 9999% ,且每颗芯片的精准度必须控制在±0.5以内，这是商业化和量产的关键。

2018年，Cho等提出一种高产量的流体自组装技术，如图7所示，通过简单的振动运动，把衬底上低熔点的合金和芯片上低熔点的金属电极在热组装液中组合，组装液中加入了F108表面活性剂，对芯片上电极表面进行修饰，并且提高了熔融合金的润湿性，最后在1min内实现19 663 个(243行81列)直径为45um Micro LED的精准组装，产量达到99. 90%

同年3月， Optovate发布专利，其p-LLO工艺使用准分子激光在蓝宝石晶圆的生长界面处照亮稀疏分离的裸片大小的氮化镓区域。

紫外线照射会产生镓金属和氮气，这些气体可控地将微型LED烧蚀到接收器工具或基板上。

该工艺能够处理GaN晶片之间的变化，包括生长缺陷、颜色和正向电压。

P-LLO 的选择性光学寻址功能可将晶圆上的预转移特性数据编码为Micro LED提取因素，并用于播种和回填Micro LED背板，以优化量产。

3芯片制备技术优化

2019年，郭伟玲等在制备被动驱动Micro LED阵列的深隔离槽时，进行两步刻蚀来减小隔离槽的坡度，如图8所示，使P电极“爬升”更容易,易断裂的P金属线可靠性增加。

此外,采用二次淀积的方法将SiO2淀积在N金属线上，作为P电极和N电极之间的隔离层。

首先，使用PECVD在 300°C下淀积SiO2绝缘层，然后将芯片旋转一定角度，继续进行SiO2的淀积，最终达到所需要的厚度，大大降低SiO2中针孔重叠的概率，并提高绝缘层的密度。

2020年，HUANG等采用ALD (原子层沉积)对Micro LED制备过程中的钝化层进行淀积，相比于PECVD技术，制备的Micro LED在尺寸为 50um，电压为-4 V时，漏电流降低7. 8倍，非辐射复合降低9%。

此外，为了最大限度地增加光输出，将P型和N型金属触点制备于台面区域外，结构如图9所示。

03芯片小型化效应

Micro LED芯片的尺寸小于100um时，其小型化效应对串联电阻、功率密度、光谱位移、结温、应力的影响很大。

因此对芯片小型化效应的研究显得十分必要。

2016年,Olivier等以及2017年Gong 等如研究均发现尺寸较小的Micro LED提供更高的电流密度和亮度，这种现象可以归因于更有效的电流扩展,和更优热管理的结构，

此外，Olivier等还发现不同Micro LED尺寸下电流密度和亮度随外加电压的变化，随着尺寸降低，P电极与P型GaN接触面积减小，引起串联电阻增加，如图10所示。

2011年，Ryu等研究表明，电流拥挤强烈影响GaN基LED在高电流密度下的性能，因为电流主要集中在N型GaN层的台阶边缘，导致载流子分布不均匀。

2017年，Olivier等研究了芯片小型化效应对辐射和非辐射复合的关系，并发现LED的尺寸对 Shock ley-Read-Hall Recombination 影响很大，对俄歇复合几乎没有影响，研究表明随着尺寸的减小，最大外量子效率变小，如图11 (a)所示。

这是由于干法刻蚀导致的侧壁缺陷引起的非辐射复合，使得较小尺寸的Micro LED效率明显降低，但可以靠增加退火时间来修复缺陷，提高低电流密度下小尺寸设备的外量子效率。

Konoplev等发现尺寸越小，达到最大外量子效率的电流密度越大，如图11所示，并且在高电流密度下，小尺寸Micro LED的外量子效率更高，这主要是电流拥挤效应导致的。

高电流密度下的小尺寸Micro LED中，有更好的电流分布，电流拥挤性很低，局部电流密度接近平均值。

Micro OLED微显示芯片制备技术已经十分成熟，但由于其外延材料技术、封装散热技术、集成驱动技术等较多的挑战，阻碍其商业化产品的出现和应用。

但是随着技术不断创新，它有望突破量化生产技术，成为具有颠覆性和变革性的独特显示技术。

04多家大厂布局Micro LED

技术攻关进入关键期Micro LED，即LED微缩化和矩阵化技术，与OLED一样能够自发光。

但与 OLED 使用有机材料不同，Micro LED使用的是无机氮化镓材料，能让显示屏更轻薄。

换言之，Micro LED 既继承了无机 LED的高效率、高亮度、高可靠度及反应时间快等特点，又具有 OLED 自发光无需背光源、体积小、轻薄的特性，还能实现节能的效果。

优秀显示性能的加持，使得 Micro LED 电视备受业界推崇，全球对 Micro LED 电视的预期和需求也同比呈指数增长。

据《Display Daily》报道，2027年，智显市场的 Micro LED显示屏出货量预计将超过1000 万台，而同期彩电行业的出货量预计将增长至330万台。

在这样的背景下，主流彩电品牌积极布局这一领域。

TCL将 Micro LED 视为更先进的显示技术，并持续展开相关研发工作。

据 TCL 有关负责人介绍，早在 2019 年，TCL 华星就将Micro LED 确立为未来3~5 年的技术创新路线。

TCL 华星还与三安光电共同成立联合实验室，从事 Micro LED 显示技术开发，并形成 Micro LED 商业化规模量产的工艺流程解决方案。

经过前期积淀，在 Micro LED 领域，TCL 华星现已拥有 140 件专利，数量位居全球第一。

为确保在 Micro LED 技术方面的先进地位，三星多年来始终在 Micro LED 的研发和生产基础设施上进行投资。依托前期在 Micro LED 上的研发经验，三星于 2018 年推出 Micro LED 显示屏——The Wall，目前已在商用领域有所应用。

在 CES2021 上，三星发布了全新的 Micro LED，尺寸包括 110 英寸、99英寸及以下型号，该系列产品预计于 2021 年上市。

致力于 OLED 电视推广的 LG，在 Micro LED 电视上也积极布局。

2020年9 月10 日，LG正式推出 163 英寸模块化设计的 4K Micro LED 电视——LG MAGNIT。

LG 表示，LG MAGNIT Micro LED 电视拥有更宽广的可视角，全黑涂层技术提高了显示的对比度和色彩精度，同时还可以保护像素点，具有防潮、防尘和防外部冲击的功能。

不过，LG 这款 Micro LED 电视主要面向会议中心、酒店大堂及展厅等商业和公共场所，暂未涉及民用市场。

索尼也推出了 Micro LED 电视——Crystal LED。

据索尼方面介绍，Crystal LED 黑彩晶 C 系列和 B 系列都有两种像素间距尺寸（P1.26mm 和 P1.58mm），以适应不同的安装需求，同时都配备了高性能图像处理芯片“X1 for Crystal LED”，能为显示内容提供高分辨率。

其中，C 系列适用于企业高端会议室、展厅大厅、汽车设计、博物馆等；

B 系列适合创作者、设计师使用，以及包括虚拟布景在内的各种节目制作应用。这两个系列产品有望在 2021 年夏天上市。

尽管 Micro LED 有多重优势，但是巨量转移，将数量庞大的微米尺寸 LED 芯片转移到电路基板）、高可靠的设备、量产成本等技术难题还亟待解决。

这导致其价格较高让人望而却步，如三星最新发布的 110 英寸 Micro LED 电视售价为 156000美元。

资料来源：中国知网；照明工程学报2021年2月第32卷第1期；MicroLED网

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