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一文了解Micro LED及关键组成架构

来源:知识库Pro        编辑:lsy631994092    2021-06-30 15:10:54     加入收藏

一.现状关于MicroLED,LG在美国拉斯维加斯的"CES2019"上展示其全球第一款AMMicroLED。在此前的的“CES2018"中,三星已经推出其MicroLED电视”THEWALL",如下...

  一. 现状

  关于Micro LED,LG在美国拉斯维加斯的"CES 2019"上展示其全球第一款AM Micro LED。

  在此前的的“CES 2018"中,三星已经推出其Micro LED电视”THE WALL",如下图所示,这款产品的尺寸是146″。

三星 THE WALL

  在更早的“CES 2017”上,索尼就推出了以144片Micro LED拼接而成的CLEDIS 显示器。但无论是这里说到的三星还是索尼的产品,其采用的都是PM(Passive Matrix)技术,其背板技术无论是在其本身工艺上还是在“巨量转移”上,难度较LG推出的AM(Active Matrix)技术小不少。

索尼 CLEDIS

  那么,Micro LED的产品是不是马上就会走进我们的生活中呢?这里让我们来谈一谈这个技术。

  二. 什么是Micro LED

  Micro LED技术,即LED微缩化和矩阵化技术。指的是在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列,如LED显示屏每一个像素可定址、单独驱动点亮,可看成是户外LED显示屏的微缩版,将像素点距离从毫米级降低至微米级。

  而Micro LED display,则是底层用正常的CMOS集成电路制造工艺制成LED显示驱动电路,然后再用MOCVD机在集成电路上制作LED阵列,从而实现了微型显示屏,也就是所说的LED显示屏的缩小版。

  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、分辨率与色彩饱和度,以及更快的显示响应速度,预期能够应用于对亮度要求较高的增强现实(AR)微型投影装置、车用平视显示器(HUD)投影应用、超大型显示广告牌等特殊显示应用产品,并有望扩展到可穿戴/可植入器件、虚拟现实(VR)、光通讯/光互联、医疗探测、智能车灯、空间成像等多个领域。

  顾名思义,Micro LED就是“微”LED,作为一种新显示技术,与其它显示技术,比如LCD,OLED,PDP,其核心的不同之处在于其采用无机LED作为发光像素。对于“Micro”这个概念,到底定义是多少呢?像素尺寸一般要到100μm以下。

  LED并不是一个新事物,作为发光二极管,其在显示上的应用本应该是顺理成章的事情。但是很长一段时间,除了户外广告屏上的应用之外,LED显示应用一直不能发展起来,其原因是:a.要做到手机屏/电视这种级别的显示器,LED像素在尺寸上难以做小;b. LED外延晶片与显示驱动工艺不兼容,且需考虑大尺寸显示的问题,所以针对MicroLED需要开放合适的背板技术。c. 如何将“巨量”的三色微小LED转移到制作好驱动电路的基底上去,即“巨量转移”技术,也是决定Micro LED能否商业的关键。

  由于像素单元低至微米量级,Micro LED显示产品具有多项性能指标优势。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有望承接液晶显示高度成熟的电流驱动TFT技术,在未来显示技术演进进程中具有一定优势。根据LEDinside预估,2022年MicroLED显示的市场销售额将达到6.94亿美元,略高于Mini LED显示。Micro LED与LCD、OLED和量子点LED(QLED)显示的性能比较如下表所示:

  1 Micro LED 显示原理

  系将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化,其尺寸仅在1~10μm等级左右;后将μLED批量式转移至电路基板上(含下电极与晶体管),其基板可为硬性、软性之透明、不透明基板上;再利用物理沉积制程完成保护层与上电极,即可进行上基板的封装,完成一结构简单的Micro LED Display。

图片来源:DJ理财网

  2 Micro LED典型结构

  PN接面二极管,由直接能隙半导体材料构成。当上下电极施加一顺向偏压于μLED,致使电流通过时,电子、电洞对于主动区(Active region) 复合,而发射出单一色光。μLED发光频谱其主波长的半高全宽FWHM仅约20nm,可提供极高的色饱和度,通常可大于120%NTSC。

  且自2008年后LED光电转换效率大幅提高,100 lm/W以上的LED已成量产之标准。而在Micro LED Display的应用上,为自发光的显示特性,辅以几乎无光耗元件的简易结构,故可轻易达到低能耗(10%~20% TFT-LCD能耗) 或高亮度(1000nits以上) 的显示器设计。即可解决目前显示器应用的两大问题,一是穿戴型装置、手机、平板等设备,有8成以上的能耗在于显示器上,低能耗的显示器技术可提供更长的电池续航力;一是环境光较强(例:户外、半户外)致使显示器上的影像泛白、辨识度变差的问题,高亮度的显示技术可使其应用的范畴更加宽广。

  3 Micro 显示原理

  像素结构

  Micro LED显示一般采用成熟的多量子阱LED芯片技术。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、3μm的N型GaN层、包含多周期量子阱(MQW)的有源层、0.25μm的P型GaN接触层、电流扩展层和P型电极。像素单元加正向偏电压时,P型GaN接触层的空穴和N型GaN层的电子均向有源层迁移,在有源层电子和空穴发生电荷复合,复合后能量以发光形式释放。

  与传统LED显示屏相比,MicroLED具有两大特征,一是微缩化,其像素大小和像素间距从毫米级降低至微米级;二是矩阵化和集成化,其器件结构包括CMOS工艺制备的LED显示驱动电路和LED矩阵阵列。

  阵列驱动

  InGaN基Micro LED的像素单元一般通过以下四个步骤制备。第一步通过ICP刻蚀工艺,刻蚀沟槽至蓝宝石层,在外延片上隔离出分离的长条形GaN平台。第二步在GaN平台上,通过ICP刻蚀,确立每个特定尺寸的像素单元。第三步通过剥离工艺,在P型GaN接触层上制作Ni/Au电流扩展层。第四步通过热沉积,在N型GaN层和P型GaN接触层上制作Ti/Au欧姆接触电极。其中,每一列像素的阴极通过N型GaN层共阴极连接,每一行像素的阳极则有不同的驱动连接方式,其驱动方式主要包括被动选址驱动(PassiveMatrix,简称PM,又称无源寻址驱动)、主动选址驱动(ActiveMatrix,简称AM,又称有源寻址驱动)和半主动选址驱动三种方式。

  其中,被动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,两层电极之间通过沉积层进行电学隔离,以同时选通第X行和第Y列扫描线的方式来点亮位于第X行和第Y列的LED像素,高速逐点(或逐行)扫描各个像素来实现整个屏幕画面显示的模式。

  主动选址驱动模式下,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提供。基本的主动矩阵驱动电路为双晶体管单电容电路。每个像素电路中,选通晶体管用来控制像素电路开关,驱动晶体管与电源连通为像素提供稳定电流,存储电容用来储存数据信号。为了提高灰阶等显示能力,可以采用四晶体管双电容电路等复杂的主动矩阵驱动电路。

  半主动选址驱动方式采用单晶体管作为 Micro LED 像素的驱动电路,从而可以较好地避免像素之间的串扰现象。半主动驱动由于每列驱动电流信号需要单独调制,性能介于主动驱动和被动驱动之间。

  4 芯片制备

  与LED显示相同,Micro LED芯片一般采用刻蚀和外延生长(Epitaxy,又称磊晶)的方式制备。芯片制作流程主要包括以下几步:

  衬底制备,用有机溶剂和酸液清洗蓝宝石衬底后,采用干法刻蚀制备出图形化蓝宝石衬底。

  中间层制备,利用MOCVD进行气相外延,在高温条件下分别进行GaN缓冲层、N型GaN层、多层量子阱、P型GaN层生长制备。

  台阶刻蚀,在外延片表面形成图形化光刻胶,之后利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,光刻形成图形化ITO导电层。五是绝缘层制备,利用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)沉积形成SiO2绝缘层,之后经光刻和湿法刻蚀。

  电极制备,采用剥离法等方法制备出图形化光刻胶,电子束蒸发Au后利用高压剥离机对光刻胶进行剥离。

图片来源:DJ理财网

  5 Micro LED背板

  从应用来看,大尺寸显示器显示屏因显示面积大以至于画素间距也较大,在背板的选用上会有PCB与Glass的选择。中型尺寸的车用显示器则不使用线宽线距较大的PCB,而以线宽线距极限略小于PCB 的Glass以及FPC为主。小尺寸的手机与手表以适合中小型显示需求的玻璃与FPC的背板为主。

  在微投影与显示的扩增实境/虚拟实境的背板显示需求将会微缩至30μm等级以下,因此将会以可微缩线宽线距半导体制程的 Si CMOS 背板为主,并背搭配眼镜需透光的需求也会有光学式FPC的应用需求。

  从基板材质看,MicroLED芯片和背板的键合的基材主要有PCB、玻璃和硅基。根据线宽、线距极限的不同,可以搭配不同的背板基材。其中,PCB 基板的应用最为成熟。

  另外CMOS工艺,其采用键合金属实现LED阵列与硅基CMOS驱动背板的电学与物理连接。制作过程中,首先在CMOS驱动背板中通过喷溅工艺热沉积和剥离工艺等形成功能层,再通过倒装焊设备即可实现LED微显示阵列与驱动背板的对接。

图片来源:赛迪智库

  三. Micro LED瓶颈——“巨量转移”技术(Mass Transfer)

  如上面所讲,制作好的微小的LED需要转移到做好驱动电路的基底上。想想看,无论是TV还是手机屏,其像素的数量都是相当巨大的,而像素的尺寸又是那么小,并且显示产品对于像素错误的容忍度也是很低的,没有人愿意去购买一块有“亮点”或“暗点”的显示屏,所以将这些小像素完美地转移到做好驱动电路的衬底上并实现电路连接是多么困难复杂的技术。实际上,“巨量转移”确实是目前Micro LED商业化上面的一大瓶颈技术。其转移的效率,成功率都决定着商业化的成功与否。

  巨量转移技术(Mass Transfer)

  目前看来,“巨量转移”都还是一个“量产前”技术,为了实现“巨量转移”的目标,市面上一些相当不一样的技术。现在总结如下:

  如上图所示,目前根据已有的资料调查显示,巨量转移技术按照原理的不一样,主要分为四个流派:精准抓取,自组装,选择性释放和转印技术。

  但是即使是属于同一个技术流派,实现的方式也是很有差别,因此很难给出一个精准的划分。如下列出在巨量转移上开展开发的一些厂商:

  Luxvue, Cooledge, VueReal, X-Celeprint, ITRI, KIMM, Innovasonic, PlayNitride, ROHINNI, Uniqarta, Optivate, Nth degree, e-Lux, SelfArray

  3.1 Pick&Place技术

  3.1.1 采用范德华力

  如下为X-Celeprint的Elastomer Stamp技术,这属于pick&place阵营的范德华力派。其采用高精度控制的打印头,进行弹性印模,利用范德华力让LED黏附在转移头上,然后放置到目标衬底片上去。目前采用的弹性体(Elastomer)一般是PDMS。X-Celeprint也称其技术为Micro-Transfer_Printing(μTP)技术。

  要实现这个过程,对于source基板的处理相当关键,要让制备好的LED器件能顺利地被弹性体材料(Elastomer)吸附并脱离源基底,先需要通过处理LED器件下面呈现“镂空”的状态,器件只通过锚点(Anchor)和断裂链(Techer)固定在基底上面。当喷涂弹性体后,弹性体会与器件通过范德华力结合,然后将弹性体和基底分离,器件的断裂链发生断裂,所有的器件则按照原来的阵列排布,被转移到弹性体上面。制作好“镂空”,“锚点”和“断裂点”的基底见下图所示。

  Rogers, J. A., et al. (2011). Unusual strategies for using indium gallium nitride grown on silicon (111) for solid-state lighting, PNAS

  X-Celeprint在其发表在“2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference”上面的论文,展示了一些源基板制作的一些概念。如下图所示,通过对器件底部的一些处理,然后通过刻蚀的方法,可以制作成时候这种转移方式的器件结构。但是详细的工艺,仍然还有待确认。

  如下为X-Celeprint公司展示的实例。

  3.1.2 采用磁力

  利用磁力的原理,是在LED器件中混入铁钴镍等材料,使其带上磁性。在抓取的时候,利用电磁力控制,达到转移的目的。

  目前ITRI,PlayNitride在这方面做了大量的工作。

  3.1.3 采用静电力

  Luxvue是苹果公司在2016年收购的创业公司。其采用的是静电力的peak-place技术。其具体的实现细节我没有查到,只有如下的两个专利或许能透漏出其细节的一鳞半爪。希望后面能得到更多的细节。采用静电力的方式,一般采用具有双极结构的转移头,在转移过程中分布施加正负电压,当从衬底上抓取LED时,对一硅电极通正电,LED就会吸附到转移头上,当需要把LED放到既定位置时,对另外一个硅电极通负电,转移即可完成。

  3.2 自组装技术

  美国一家新创公司SelfArray展示了其开发的自组装方式。首先,其将LED外表包覆一层热解石墨薄膜,放置在磁性平台,在磁场引导下LED将快速排列到定位。采用这种方式,应该是先会处理磁性平台,让磁性平台能有设计好的阵列分布,而分割好的LED器件,在磁场的作用下能快速实现定位,然后还是会通过像PDMS一类的中间介质,转移到目标基底上去。根据推测,这种技术方式的好处有如下:

  避免对源基板的器件进行复杂的结构设计去适应巨量转移工艺。

  因为LED会批量切割,因此可以在转移前进行筛选,先去除不合格的LED。

  采用磁性自组装,预计时间会更加快速。

  源基板不需要过多考虑目标基板的实际阵列排布,预期可以有更大的设计空间。

  Selfarray的官方有视频,大家可以自己去看一下:http://selfarray.com/

  还有一家利用流体进行自组装装配的企业是eLux。eLue于2016年在美国成立,eLux与日本夏普的渊源很深,CEO Jong-Jan Lee与CTO Paul Schuele均出自夏普美国实验室(Sharp Laboratories of America)。2017年富士康通过其子公司CyberNet Venture Capital向其注资1000万美元,2018年有于群创光电,AOT和夏普一起,正式收购eLux的全部股权。所谓流体自组装,就是利用流体的力量,让LED落入做好的特殊结构中,达到自组装的效果。

  3.3 选择性释放技术

  Uniqarta是一家英国公司,其采用其成为LEAP(Laser-Enabled Advanced Placement)技术。通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目标基板上。对于这种技术的前景,目前仍然需要更多技术细节的支持。

Uniqarta's LEAP技术

  而Coherent的方案与Uniqarta有些类似,但其也要用到中介转移的载体,不过对于载体和源基底的分离,其采用的是线激光束。而将LED器件从载体转移到目标基底,则采用了点激光。

  3.4 转印技术

  如下为KIMM公司的转印技术技术,转印技术通过滚轮将TFT与LED转移到玻璃基底上面。对于这种技术,技术难度看起来非常大,特别是在于如果保证生产良率上面。

  4 Micro LED其它需要关注的问题

  除了巨量转移之外,Micro LED的整个工艺链都需要投入大量的时间去予以改进和优化。如下图所示,为Micro LED产品生产的工艺链,其中就涉及到:衬底材料和尺寸的选择,外延工艺的选择,彩色实现的方案,巨量转移技术的选择,缺陷的检测和维修和整个工艺链上成本的压缩等等。这必将花费业界大量的时间去持续推进。

  5 总结

  Micro LED作为一种新兴的显示技术,目前在业界得到了广泛的关注。由于其采用无机LED发光,所以较LCD,OLED等技术有独特的优势。但是,目前Micro LED收到一些瓶颈技术的限制,特别是巨量转移工艺上,即使业界能够在有所突破,但要真正提高良率,降低成本,也需要花费时日。并且,整个工艺链的完善也非朝日之功,因此,Micro LED要大规模量产并替代现有产品,应该还需要时间。

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