MicroLED: 从LAB到FAB

每一种颠覆性技术都有自己的“啊哈”时刻——从工程师到投资者都意识到这项技术是真正的技术，绝不会止步于研发层。

三星最近发布的110英寸MicroLED电视让MicroLED正式步入市场。这款电视的售价定为15.5万美元，但与大多数主流消费电子产品一样，该价格随着销量增加会大幅降低。

Yole Développement 高级行业分析师 Eric Virey 博士表示：“这标志着 microLED 电视即将到来，但首先需要大量工艺进步和颠覆性技术，才能将成本降低 20 至 30 倍以供主流采用。 第一批商业化的MicroLED显示器将用于近眼增强现实/虚拟现实，或用于平视显示器或眼镜的混合现实应用。

图 1：将 CP Display 的 IntelliPix 驱动器/背板架构与 Global Foundries 的 FDX 22 nm 绝缘体上硅 (SOI) 工艺平台相结合，1:1 全彩色 AR/MR 微型显示器用于像素小至 2.5 μm microLED 或 LCoS 技术。资料来源：正大显示

MicroLED 具有出色的性能属性。与 LED 背光液晶显示器 (LCD) 或OLED显示器相比，它们提供更高的像素密度、更低的功耗、更快的（纳秒）响应时间和更宽的视角。重要的是，它们在阳光直射条件下提供比 OLED 显示器或 LCD 高一个数量级的亮度，这对手持设备至关重要，也是近眼显示器的关键推动因素。

最终产品分为三类：

用于电视、标牌和电影院的大型显示器；

用于平板电脑、汽车前灯、智能手机和手表的中型显示器

用于 AR/VR/MR 应用的微型显示器（图 1）。

MicroLED是LED的微观版本。MicroLED(芯片尺寸50μm且1 mm)都以相同的方式工作。当以适当的电压施加电流时，电子和空穴在器件的有源区（量子阱）中重新结合，并发射光子。光的亮度是应用电流的函数，但发射的颜色(波长)是由半导体材料的传导带和价带的能级差决定的，AlInGaP 用于红色 LED，InGaN 用于绿色和蓝色 LED 。

除非使用磷光体颗粒或量子点转换光，否则 LED 是直接发光的。例如，白光使用带有黄色荧光粉涂层的蓝色 LED 来制造灯泡、路灯、汽车头灯等中看到的白光。

如今，大多数LED还是在100mm和150mm的蓝宝石晶片上制造的，在SMT封装中组装，电线粘接到位，并用环氧树脂或硅树脂封装。MicroLED的关键区别在于它们以裸模形式使用，而不是封装。这种差异加上更严格的设计规则，使得MicroLED的制造成本非常高。

良率和转移技术

随着行业从当今的 miniLED 向 microLED 过渡，代工厂和晶圆厂必须大幅提升其竞争力。

KLA高级首席科学家 John Robinson 表示：“实现 microLED 的性能和成本点将需要向半导体制造思维方式转变。”

Robinson 指出，与传统 LED 相比，需要极高的 microLED 良率，包括高驱动器 IC 和背板组装良率，这需要端到端的晶圆厂缺陷管理策略。除了在线良率管理改进之外，microLED 目前还没有一个具有生产价值的工艺来快速将 microLED 从晶圆转移到中介层或晶圆到背板。这一过程完全取代了拾取和放置工具，目前是MicroLED制造的一大限制因素。

图 2：为了满足对坏像素接近零容忍度，LED 晶圆厂正在加强其在线计量、自动光学检测和测试协议。资料来源：KLA

在晶圆加工方面，Lumileds 的 MicroLED 研发副总裁 Srinivasa Banna 表示，除了减少直接影响良率的缺陷率之外，MicroLED 晶圆厂还必须在外延晶圆和成品面板上保持非常严格的波长均匀性控制。

在测试方面，Banna 补充道，虽然存在许多解决方案来进行基于光致发光 (PL-based) 的测试，该测试在外延和加工晶圆级测量光的光谱特性，包括所需波长，电致发光的晶圆级测试(EL) 是非常需要的。“最终结果要看 LED 是否正常点亮。我们希望能够预先标记坏的 microLED 或发光不足的 microLED，并有选择地选择已知良好的芯片转移到背板。

其他问题是早期技术的典型问题。最大的挑战之一是缺乏标准的制造流程和正在采取的各种方法，这导致缺乏规模来推动设备开发以实现大批量生产，” Lam Research战略营销董事总经理David Haynes表示，“在短期内，我们预计在AR/VR和智能手表等消费产品中，小型、高亮度MicroLED显示屏的商业化将会提升，汽车显示器和大面积投影的MicroLED也将有所增加。”

然而，Haynes指出，TFT 面板上大面积显示器商业化的时间表“将取决于该行业开发可提供高精度和卓越可靠性的转移技术的速度。” 事实上，Apple 最新的 iPad 使用白色 miniLED 作为背光，需要准确放置 10,000 个LED，这听起来很有挑战性。但是在 4K 电视的 78 英寸 TFT 面板上需要定位 2500 万个红色、绿色和蓝色子像素，容差仅为 10 个无效像素，而这更将需要一种极其稳健、高度准确的转移技术。

获取RGB的不同途径

随着 microLED 规模的扩大，巨量转移的困难和性能问题导致各个公司寻求不同的途径来在同一面板上获得红、绿和蓝光。红光、绿光和蓝光之间的驱动电压存在差异，这使得驱动电路的设计变得复杂。所有这一切都可以通过仅制造蓝光 microLED 晶片并添加磷光体或量子点颜色转换器来制作红色和绿色来简化。

但是，Lumileds 的 Banna 表示，向下转换也需要权衡。通常，一些蓝色会通过转换器都会降低亮度。量子点是半导体纳米晶体，可以产生单色红、绿和蓝光，因此有可能用于未来的 microLED。然而，今天的 QD 以膜形式使用，以提高 LED 背光 LCD 的亮度和色域。

MicroLED 工艺流程

MicroLED 工艺的前端开始于通过MOCVD 中的气相外延在晶圆上生长外延片。然后自动检查晶片的缺陷和光致发光 (PL)，或测量光谱特性。

接下来，光刻图案定义 N 和 P 接触垫，然后是透明的ITO)沉积，将电流扩散到器件表面。然后反应离子蚀刻 (RIE) 暴露接触焊盘。晶圆被翻转到柔性薄膜上，激光剥离去除基板，然后再次翻转，测量 PL 和 EL 并创建已知良好的芯片图。接下来，数百甚至数千个 microLED 通过冲压工艺、激光工艺或其他方式（如下所述）转移，并粘合到单独制造的 TFT 或 CMOS 背板上，该背板包含与芯片上的匹配的电触点和控制电路。

SMT 键合工艺，使用焊料沉积和回流，将芯片键合到背板，然后再次进行 AOI、PL 和 EL 测试。如果发现有缺陷的芯片，可以使用激光去除和更换坏芯片（称为修复），然后对显示器进行最终测试，包括电致发光和光致发光。

MicroLED 将需要 100 级洁净室（每平方英尺小于 100 个粒子，≥0.5 μm）、切换到 200 毫米蓝宝石晶圆上的加工、外延工艺 (MOCVD) 缩放至 200 毫米、从掩模对准器升级到 i-line 晶圆步进器用于图案化，以及用于 RIE、电镀、晶片剥离和可能还有晶片清洗的单晶片 200 毫米工具。最重要的是，这些工具必须使用 SPC 和更新的人工智能程序来实施严格的流程控制。

Veeco 首席技术官 Ajit Pananjpe 表示：“最终产品确实推动了我们对波长、薄膜厚度、漏电流和均匀性的规范。他指出，许多宣布的新产品要求波长可变性在 2 nm 以内。目前，我们已接近满足波长均匀性规范，这部分不太可能成为 microLED 的阻碍。

优化晶圆级工艺对于持续改进 microLED 性能指标至关重要，例如内部量子效率 (IQE)，即器件中电子/空穴组合转换为亮度的效率，以及外部量子效率 (EQE)，即设备将通过 LED 的电子转换为亮度的效率。直到几年前，红光、绿光和蓝光microLED 的 EQE 都在个位数范围内。然而，材料和设备工程已将蓝光、绿光和 AlInGaP 红光 microLED 的 EQE 提高到两位数范围，需要进一步改进。

LED 的晶圆级处理通常针对 IQE 和 EQE 的持续改进。例如，Lam 正在开发超低损伤 GaN 蚀刻工艺、GaN 结构工艺以及蚀刻后侧壁损伤修复和钝化，以提高器件性能。

“我们在同一模块中将低功率、稳态等离子体蚀刻与原子层沉积相结合。这些工艺结合了高产量和显着减少GaN表面等离子体损伤的能力，”Lam 的 Haynes 如是说。“在沉积方面，我们有低氢氮化硅钝化解决方案，为了支持与 CMOS 代工厂的兼容性，我们正在开发能够管理脆弱晶片上镓污染的单晶片清洁解决方案。”

MiniLED 现状

MiniLED现已量产，用于平板电脑背光和键盘背光应用。为了加快组装速度，Rohinni 开发了一种键合头，通过将目标基板定位得更接近转移基板并集成 3D 计量以进行定位反馈，从而显着改善了拾取和放置。该工艺已在 K&S 的 Pixalux 粘合机上实现商业化。在这里，将 miniLED 翻转到柔性粘合膜上，然后移除基板。薄膜再次翻转并放置在靠近目标基板的位置。焊头利用高速销致动器以高达 100 芯片/秒的吞吐量传输芯片。

CyberOptics 的 SQ3000 多功能 3D 计量工具已与 Rohinni 的转移方法集成，以确保对准过程的准确性和可重复性。计量系统专有的多反射抑制 (MRS) 传感器技术使用相移轮廓测量法，从单个光学投影仪和多个摄像头收集数据以进行 3D 测量。该系统的算法可抑制基于反射的测量失真，以在几秒钟的处理速度下实现高精度。

CyberOptics总裁兼首席执行官 Subodh Kulkarni 表示：“鉴于 miniLED 放置与 SMT 键合的相似性，采用我们这样的工具会带来值得生产的结果也就不足为奇了。” “对于 miniLED 放置，系统会跟踪 x、y 和 z 方向上与预期数字签名的微小偏差，并迅速发出问题信号，”他补充道。

Rohinni 首席技术官 Justin Wendt 表示，Rohinni 的工具可用于任何组装设备，它与平台无关。“我们真正将自己视为一种系统集成商，为特定产品（在这种情况下为 miniLED）提供技术解决方案给最能充分利用它的工具制造商和最终用户，”他说。

巨量转移技术

MicroLED 转移技术包括微转印技术、激光辅助转移、静电转移、基于卷对卷转移技术,和流体自组装。尽管许多技术有效（见图 3），但批量制造需要 99.9999%（六个 9 或 1 ppm）的转移良率。“今天的转移技术是一片绿地。Veeco 的 Pananjpe 表示，制造商负担不起转移失效的 microLED，即使存在修复策略，它们也太费力且成本高，无法用于批量生产。

图 3：正在探索多种方法来同时实现数千个 microLED 的质量转移。来源：“从实验室到晶圆厂：大容量 MicroLED 设备的挑战和要求，Yole Développement，Display Week，2021 年 5 月

根据 Yole Développement 的 Virey 的说法，也许最成熟的转移技术是使用聚合物微转印来移动数千个 LED，例如在 X-Celeprint 的微转移印刷工艺中。每个印章都是由注塑成型的PDMS定制制造的，由玻璃背板（用于刚性）、光滑的 PDMS 层和光刻定义和蚀刻的 PDMS“柱”组成，以实现高精度定位。粘合剂墨水抓住一系列 microLED，然后使用激光或其他方式进行打印。

X Display Co. 最近交付了其首款 300 毫米转移设备，并获得了许多用于 microLED 制造的技术许可。印章转移过程被证明是可靠的、可扩展的并且能够实现高吞吐量，但需要进一步优化过程以实现 6 个 9 的良率。

激光辅助转移由 3D-Micromac AG 和 Coherent 提供。激光剥离的工作原理是烧蚀微观 GaN 层，形成一个膨胀的氮气层以实现剥离。激光辅助剥离通常用于从处理后的 microLED 晶片上去除蓝宝石衬底。在微型器件或小场尺寸处，可使用多个高能激光脉冲以高精度 (±1.5 μm) 传输一组 microLED。虽然以良好的选择性和可靠性着称，但激光辅助转移方法目前仅限于小区域，需要进一步发展以加快吞吐量。

eLux Display 开创了一种新颖的流体自组装工艺（见图 4），该工艺使用来自传统 LCD 工厂的有源矩阵基板。使用带有仅比 microLED 稍大的孔的基板，将含有预先测试过的 microLED 的液体施加到表面，振荡运动促使 LED 以高度准确且不规则的方式固定在孔中。流体组装使液体中的 microLED 随机化，从而防止由外延晶片不均匀性引起的马赛克图案。

图 4：eLux Display 的流体组装工具在大约 15 分钟内将 518,400 个 microLED（尺寸为 40 μm）定位在 12.3 英寸显示器上。大约 33 个 microLED 需要维修。

microLED 由传统的蓝光 LED 晶片制成倒装芯片，阳极和阴极电极排列为表面上的同心环。在组装之前，microLED 使用 microPL 映射测试短路芯片或低 EQE 设备，并使用光学检查工艺缺陷或污染。相对于使用激光或其他方法的确定性系统，ELux 的优势在于，流体组件旨在仅收集已知良好的芯片。因此，缺陷永远不会进入显示器制造过程。

结论MicroLED 作为下一代平板显示技术非常有前途，因为它在效率和响应时间方面优于 OLED 显示器和 LCD，同时提供更高的亮度，这对于在阳光照射条件下使用的电子设备来说尤其重要。将成本和产量降低到批量生产所需的水平尤其具有挑战性，尤其是在从头开始构建的转移设备的情况下。

LED 晶圆厂必然会变得类似于大批量硅晶圆厂，具有端到端的良率管理和更先进的工艺控制。在晶圆级，除了光致发光外，还需要测试电致发光，以制造近乎完美的显示器。

小知识：Mirco LED 芯片制备技术

Micro LED微显示芯片结构

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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。

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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

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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通过导电氮化家与 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 。

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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。

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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。

芯片小型化效应

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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。

来源： MicroDisplay

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