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:

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:

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) :

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)

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)

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) :

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:

Fig 2.2.1 Monolithic Approach on Micro LED  (1)

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:

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:

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d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) 

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)

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) :

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。

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。

Fig 2.4.2 Example of Lamp Bonding  (14)

Fig 2.4.3 Example of SMD Bonding  (14)

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。

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:

Fig 2.4.6 Example of Cu/Sn/Cu bonding layer in vertical LED chip

Fig 2.4.7 共晶示例

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

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:

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。

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) :

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 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)

经过近十年的发展，二维电子学已经取得了巨大进步，但在大面积单晶制备、关键器件工艺、与主流半导体技术兼容性等方面仍存在挑战。

南京大学电子科学与工程学院王欣然教授课题组聚焦上述问题，研究突破二维半导体单晶制备和异质集成关键技术，为后摩尔时代集成电路的发展提供了新思路。相关研究成果近期连续发表在Nature Nanotechnology上。

半导体单晶材料是微电子产业的基石。与主流的12寸单晶硅晶圆相比，二维半导体的制备仍停留在小尺寸和多晶阶段，开发大面积、高质量的单晶薄膜，是迈向二维集成电路的第一步。然而，二维材料的生长过程中，数以百万计的微观晶粒随机生成，只有控制所有晶粒保持严格一致的排列方向，才有可能获得整体的单晶材料。

蓝宝石是半导体工业界广泛使用的一种衬底，在规模化生产、低成本和工艺兼容性方面具有突出的优势。合作团队提出了一种方案，通过改变蓝宝石表面原子台阶的方向，人工构筑了原子尺度的“梯田”。

利用“原子梯田”的定向诱导成核机制，实现了TMDC的定向生长。基于此原理，团队在国际上首次实现了2英寸MoS2单晶薄膜的外延生长。

得益于材料质量的提升，基于MoS2单晶制备的场效应晶体管迁移率高达102.6 cm2/Vs，电流密度达到450 μA/μm，是国际上报道的最高综合性能之一。同时，该技术具有良好的普适性，适用于MoSe2等其他材料的单晶制备，该工作为TMDC在集成电路领域的应用奠定了材料基础。

大面积单晶材料的突破使得二维半导体走向应用成为可能。在第二个工作中，电子学院合作团队基于第三代半导体研究的多年积累，结合最新的二维半导体单晶方案，提出了基于MoS2 薄膜晶体管驱动电路、单片集成的超高分辨Micro-LED显示技术方案。

Micro-LED是指以微米量级LED为发光像素单元，将其与驱动模块组装形成高密度显示阵列的技术。与当前主流的LCD、OLED等显示技术相比，Micro-LED在亮度、分辨率、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有跨代优势，是国际公认的下一代显示技术。然而，Micro-LED的产业化目前仍面临诸多挑战。

首先，小尺寸下高密度显示单元的驱动需求难以匹配。其次，产业界流行的巨量转移技术在成本和良率上难以满足高分辨率显示技术的发展需求。特别对于AR/VR等超高分辨应用，不仅要求分辨率超过3000PPI，而且还需要显示像元有更快的响应频率。

合作团队瞄准高分辨率微显示领域，提出了MoS2 薄膜晶体管驱动电路与GaN基Micro-LED显示芯片的3D单片集成的技术方案。团队开发了非“巨量转移”的低温单片异质集成技术，采用近乎无损伤的大尺寸二维半导体TFT制造工艺，实现了1270 PPI的高亮度、高分辨率微显示器，可以满足未来微显示、车载显示、可见光通讯等跨领域应用。

其中，相较于传统二维半导体器件工艺，团队研发的新型工艺将薄膜晶体管性能提升超过200%，差异度降低67%，最大驱动电流超过200 μA/μm，优于IGZO、LTPS等商用材料，展示出二维半导体材料在显示驱动产业方面的巨大应用潜力。

该工作在国际上首次将高性能二维半导体TFT与Micro-LED两个新兴技术融合，为未来Micro-LED显示技术发展提供了全新技术路线。

上述工作分别以 “Epitaxial growth of wafer-scale molybdenum disulfide semiconductor single crystals on sapphire” （通讯作者为王欣然教授和东南大学王金兰教授）和 “Three dimensional monolithic micro-LED display driven by atomically-thin transistor matrix” （通讯作者为王欣然教授、刘斌教授、施毅教授和厦门大学张荣教授）为题， 近期在线发表于Nature Nanotechnology。

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