microled走向商业化

MicroLED显示屏市场正在升温，这得益于设计和制造方面的大量创新，这些创新可以提高产量并降低价格，使其与LCD和OLED设备竞争。

MicroLED显示屏比它们的前辈更亮、对比度更高，而且效率更高。在CES和显示周上展示的手表、AR眼镜、电视、标牌和汽车显示器的功能原型已经开发出来。供应商现在正在将他们的重点从仅仅推出原型转向提高所有流程步骤的产量和生产率，这应该会显著降低成本。

“当你有微型led这样的设备时，赌注就会增加，其中最大的问题是，‘你能以经济有效的制造过程生产出微型led显示屏吗?’”ClassOne technology的产品和技术副总裁约翰·盖基尔(John Ghekiere)说。

图1:3um像素间距的蓝色GaN微led阵列使用多色量子点集成实现全彩AR显示。采用sub-40nm CMOS工艺，10M尼特的最大亮度消耗<1W。来源:MICLEDI

这是一个大问题，因为这项技术并不缺乏可能的应用。Lam Research战略营销董事总经理大卫•海恩斯(David Haynes)表示:“一个关键机遇涉及硅基氮化镓技术的开发。”“这些允许将制造工艺扩展到200mm和300mm晶圆，并创建了完善的硅代工基础设施。晶圆代工厂已经在为电源和射频开发标准cmos兼容的硅上GaN解决方案，因此制造微型led是合乎逻辑的下一步。”

不过，这种转变的规模并非微不足道。Veeco副总裁兼首席技术官Ajit Paranjpe表示:“主要挑战是在可接受的生产产量和成本下，满足一致性(颜色和亮度)和缺陷像素的严格良率目标。”“我们的工作重点是提高所有关键步骤的产量，包括epi生长和传质，以最大限度地减少冗余或修复的需要。这些因素推动了显示成本。”

苹果、三星和康佳(前东芝)等领先科技公司正在开拓进取，并大举投资，为AR眼镜、智能手表、电视、数字标牌和汽车显示器制造微型led模块。预计这将发生在2024年至2027年之间，随着技术的成熟，很可能会导致显示技术的价格像往常一样急剧下降。截至目前，三星the Wall TV中最便宜的一款有89英寸、101英寸和110英寸三种版本，起价为8万美元(产品推出时间推迟)。它是使用PlayNitride的30 x 60 μ m微led在有源矩阵薄膜晶体管(LTPS)驱动器上制造的。要使微型led具有成本效益，就必须将8万美元的价格降至3000美元左右的消费者友好型水平。

尺寸光谱的另一端是Vuzix的AR Shield眼镜，适用于企业应用(手术、维护等)，具有0.13英寸绿色显示屏(640 x 480像素)，由JB display制造，每副眼镜配有2个带波导的显示屏，可实现4M尼特的阳光条件所需的亮度。

巨大的投资
microled突出的性能潜力推动了大量的研发投资。与有机LED (OLED)显示器或LED背光液晶显示器相比，这些直接发射显示器承诺以更低的功耗、纳秒级的响应时间(对增强现实至关重要)和更宽的视角来实现更高的像素密度。

制造微型led所需的高精度要求大规模转向半导体制造思维，包括100级洁净室(<100个粒子/ft3，≥0.5µm)，切换到200mm蓝宝石晶圆，以及缩放关键的epi晶圆工具。尖端微显示器可能需要升级到EUV扫描仪，以及低损伤蚀刻、电镀、CMP和晶圆清洗工具。

Yole集团旗下的Yole Intelligence预计，未来三年，用于电视、智能手表和AR眼镜的微型led制造基础设施可能会投入30亿美元。玩家包括苹果、三星、Epistar、PlayNitride、友达、三安、JB Displays和许多其他公司。

Yole Intelligence的高级行业分析师Eric Virey博士详细介绍了一些已宣布的microLED晶圆厂计划，包括:

• amsOsram投资8.5亿美元扩大奥地利和马来西亚的微型led生产;
• Aledia宣布投资1.65亿美元制造GaN-on-Si纳米线微led;
• AUO正在增加对PlayNitride和Epistar的投资;
• 康佳、TCL-CSOT和Visionox宣布投资1亿美元;
• MICLEDI和GlobalFoundries正在为microLED的生产做准备
• 三安光电宣布投资20亿美元生产迷你/微型led。

Virey表示，苹果智能手表可能是首款大规模生产的微型led产品，欧司朗是其首选供应商。“如果一切按计划进行，我们将在2024年看到苹果的microLED智能手表。”

与此同时，新颖的器件结构提供了令人印象深刻的性能。Aledia设计了一种新颖的3D结构，通过形成数以百万计的亚微米直径发光GaN纳米线，这些纳米线从硅表面投射出来，以提高发光面积效率。Aledia将制造这种名为SmartPixels的纳米线，并聘请一家硅铸造厂进行后续处理。

除了上述投资外，microled领域还发生了重大收购，包括谷歌收购初创公司Raxium，以及Snap收购Compound Photonics。

led从迷你到微型
根据产品尺寸，microled有三种口味:

• 用于电视和标牌的大型显示器;
• 用于平板电脑、智能手机和车载显示器的中型显示器
• 用于XR (AR/VR/MR)眼镜和智能手表的微显示器。

微型led是我们今天在路灯、家用灯泡和商业建筑中使用的led的微型版本。制造白光的方法是在蓝色led上涂上黄色荧光粉，与蓝色光子相互作用产生白色光子。microled通常被指定为边长<50µm，而led则具有200µm或更大的尺寸，术语miniLED涵盖了介于两者之间的所有尺寸。然而，一些公司表示，microLED指的是任何没有封装的LED，无论其确切尺寸如何。

MiniLEDs如今使用蓝色led和量子点为笔记本电脑、平板电脑、电视和室内/室外标识提供照明。当电流在适当的电压下施加时，led会发出光(光子)，电子和空穴在器件的有源区域(量子阱)重新结合。光的亮度是外加电流的函数，但发射的颜色(波长)是由半导体材料能带的差异决定的，gaas上的alingap发出红光，蓝宝石上的ingan发出绿色和蓝色。

LED颜色的一致性体现在波长的一致性上。对于led，分箱将色度控制较好的产品与性能较差的设备分开。为了获得一致的波长，从而产生彼此匹配的光，需要宾宁。不幸的是，使用microled时，由于缺乏在处理过程中保护它的包，因此不可能进行装箱。因此，规格内的microled必须分离用于目标显示器，这与传输和在线检测操作有关。

第一代微型led显示器预计将使用原生红色、绿色和蓝色微型led的子像素，尽管一些公司正在追求使用带有量子点的蓝色led来创建蓝色和红色的子像素。这种下转换方法简化了红色、绿色和蓝色微led复杂的拾取和放置转移，但以亮度损失为代价。

选择正确的过程
微型led显示屏的制造方案取决于其要求。例如，用于手表或AR应用的微显示器需要极高的像素密度，达到1,000-10,000 dpi。在这些情况下，混合键合将GaN/蓝宝石晶圆连接到硅CMOS驱动晶圆上。然后使用反磨去除蓝宝石晶片。

然而，对于低像素密度的应用，如电视或数字标牌，微型芯片必须分散到显示背板上。这种方法通常利用载波晶圆上的临时键合，使晶圆上的紧密模对模封装重新分配到按像素间距分离。

芯片制造商和微型led制造商之间的合作也可以实现更快的工艺集成。GlobalFoundries工业和多市场副总裁Ed Kaste在一份声明中表示:“MICLEDI的microLED解决方案与GlobalFoundry的22FDX平台相结合，通过提供超高分辨率的显示器和先进的成像技术，实现了令人惊叹的视觉细节和色彩，满足了未来AR眼镜的高要求。”“随着用户体验更加身临其境的增强现实，对AR和VR产品的需求将飙升。”

MICLEDI是imec的子公司，是第一家在300mm CMOS平台上为AR构建微led阵列的公司。晶圆到晶圆混合键合步骤用CMOS背板重构RGB微led。为了实现高效波导集成，该公司在led顶部使用了菲涅耳透镜来提供光束整形。设计轻巧、吸引人的增强现实眼镜依赖于制造尺寸更小的微型led，其成本可以很好地计入产品价格。

另一个例子是在弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所(ENAS)进行的公司间的协作工作。“我们的电镀工具已经与几家制造商进行了试生产，但成功要追溯到集成方案，”ClassOne的Ghekiere说。“我们能否以一种最佳方式使客户的产品具有价格竞争力，同时赋予他们技术优势?”我们有能力与夫琅和费合作，填补单元工艺之间的一些间隙，这是真正的驱动因素——电镀工作，CMP工作，晶圆对齐工作。现在我们可以实现整合，因为你将拥有在这里竞争的团队——一些世界上最大、最有价值的公司。”

完善色彩发射
microled是直接发射器，因此它们被用作裸模。这与led和miniLEDs不同，后者是在表面贴装封装中组装，在适当的位置进行线粘接，然后封装在环氧树脂或硅胶中。

当许多公司都在追求用不同晶圆组装的本地红、绿、蓝芯片时，Porotech——剑桥大学的一个分支——已经设计出一种在一块晶圆上生产所有三种颜色(红、绿、蓝)的方法。Porotech首席执行官TongTong Zhu表示:“你可以拥有一个可以在任何时候提供任何颜色的像素，这极大地简化和降低了组装操作的成本。”该公司正在寻求行业合作伙伴，以帮助开发、扩大和商业化该技术。它的工作原理是在晶圆表面下创建一个多孔层，这增加了可以掺杂到晶格中的铟的数量。随后，使用MOCVD生长量子阱，而没有引入任何新的缺陷。Porotech的第一个合作伙伴是IQE，一家外延晶圆供应商，将作为PoroGaN GaN-on-sapphire晶圆的代工厂。

“我们正在实现不同的颜色，但也有颜色纯度。例如，在不同的驱动条件下，我们的555nm绿色的色移小于5nm。”这项技术极大地改善了传统红色微led的效率低下。与绿色或蓝色微led相比，颜色随温度的变化更为显著。

我开得怎么样?
苹果的智能手表将采用基于CMOS的微驱动器。”“三星正在玻璃上使用TFT，只不过它非常复杂，有24层掩膜，所以产量很低，成本很高。用于oled的传统tft需要12个掩码层。我们看到越来越多的论文在讨论硅驱动器，但它可能不是所有应用的最佳选择。”

“对于AR眼镜来说，功耗与驱动microLED显示屏直接相关。低功耗至关重要，因为它决定了电池尺寸、电池寿命和散热要求，”MICLEDI Microdisplays联合创始人兼首席技术官Soeren Steudel说。“巧妙的驱动和控制技术，以及占空比管理和数字脉冲宽度管理技术，都可以降低功耗。”

流程细节
需要最先进的fab工具来处理AR眼镜的数字透镜微显示器。“只有具有一定发射角度的光才能使用，对于波导来说，发射角度为±20°。我们需要在像素级上进行优化，以确保在APEX角度内发出尽可能多的光。这将极大地影响系统效率，特别是壁式插头的效率。像素越大，透镜效率越高。

Steudel说:“AR眼镜需要高亮度和高分辨率，分辨率与像素大小直接相关。”他指出，对于全高清(1920 x 1280像素)投影，最大像素间距为3微米或更小。“硅晶圆代工厂采用最先进的300mm晶圆步进器，能够始终在有机高折射率材料中实现非常精确的覆盖(<20nm)。实现高度可复制的多层数字透镜在间距<3µm需要非常精细的特征(CD <100nm)。”Steudel表示，为了在可重复的基础上满足这些严格的公差，需要先进的光刻、蚀刻和CMP工具。“在蚀刻斜率、层均匀性和厚度控制方面，其他挑战是非常严格的规格。”

微显示器通常使用晶圆到晶圆混合键合，这是一种相对较新的晶圆制造工艺，将GaN器件键合到硅基板上，然后可以在200mm或300mm工具上进行进一步加工。在混合键合的步骤中，平板晶圆的加工是必不可少的。“CMP非常重要。在切割成成品MicroLED显示模块之前，300mm线的MicroLED晶圆必须经过研磨和压平，以非常严格的公差粘接到ASIC背板晶圆上。”

不幸的是，当微led的尺寸小于10微米时，外部量子效率就会下降。Veeco公司的Paranjpe表示:“由于微led侧壁的载流子重组，发光效率降低是缩放的问题。”“用于定义microLED的台面蚀刻的蚀刻、清洁和钝化步骤必须进行优化，以最大限度地减少载流子的表面重组。通常情况下，直接蚀刻被用来代替更精细的尺寸控制。”

Robinson补充说:“随着microled的扩展，致命缺陷的可接受阈值也越来越小，导致有害缺陷的影响增加，在背板检查中可达到90%。人工智能对护理/非护理缺陷的分类对于过程控制和修复的目的至关重要。”

图2:外部量子效率随着microLED尺寸的缩小而降低。来源:Yole Intelligence

微型led的性能反映在内部量子效率(IQE)等指标上，IQE反映了器件中电子和空穴组合转换为亮度的效率。EQE，即外部量子效率，衡量的是将通过LED的电子转换为亮度的成功率。Lam的Haynes表示:“我们将极低功耗、稳态等离子体蚀刻步骤与原子层蚀刻工艺结合在同一个模块中，开发了超低损伤GaN蚀刻工艺。”他补充说，这种工艺可以减少GaN表面的等离子体损伤，同时提供高通量操作。

图3:为了满足对不良像素的近乎零容忍，microLED晶圆厂正在加强其内联计量、自动化光学检测和测试协议。来源:解放军的

工艺流程
微型led制造的最基本部分包括使用金属有机CVD (MOCVD)工具，使用150mm或更大的基片生长外延层堆栈，由爱思强，Veeco和其他公司提供。KLA工业和客户合作小组的高级首席科学家John Robinson说:“外延工艺步骤必须得到很好的控制，以最大限度地减少产量限制晶体缺陷、颗粒、凹坑和划痕。”“外延层需要紧密的厚度、组成和应力控制，以保持所需的波长均匀性和量子效率。在线检测和计量对epi质量至关重要。”

工程师使用基于电致发光(EL)和光致发光(PL)的测试来量化光度。这两种方法都是非接触的方法，可以检测光学检查无法发现的缺陷。EL是较为成熟的电气检测方法。PL相对较新，测量光的光谱特性，寻找发射中的缺陷，包括波长和PL强度，这是在外延沉积后和晶圆验收测试期间测量的。KLA提供多种光学检测工具。提供PL和EL工具集的公司包括Corbeau Innovation、Hamamatsu、InZiv、Toray等。

图4:OmniPix 2.0结合了光学检测、PL和EL，在300mm的晶圆上具有100nm的检测分辨率。来源:Corbeau Innovation。

通过多层外延形成量子阱后，步进刻蚀形成器件区域。Robinson说:“在微led芯片的形成过程中，控制图形缺陷对高产量至关重要。”

光刻和蚀刻定义了N和P接触垫，然后是透明氧化铟锡(ITO)的沉积，它将电流扩散到整个设备表面。活性离子蚀刻然后暴露接触垫。将晶圆翻转到柔性薄膜上，然后进行晶圆研磨和CMP去除基板。

“向步进光刻的过渡还需要CD和叠加工艺控制。此外，晶圆形状的不均匀性和应力可能由薄膜沉积引起，需要工艺控制来满足晶圆均匀性的规范。”Robinson说。

微led器件的钝化已成为一个关键步骤，因为它可以帮助减少侧壁载流子退化。Yole的Virey说:“ALD正在成为钝化的标准工艺，它在外部量子效率方面提供了显著的改善。”

在组件转移之前，精确的晶圆级图表明哪些microled是无缺陷的，并且功能符合目标规格。Robinson说:“这些地图是下游传输过程的关键输入。”他补充说，在背板制造过程中，在线检测和计量同样至关重要。电气测试对于确保转换前的性能也至关重要。”

接下来，数百甚至数千个微led从晶圆上被转移到一个载体(中间体)上，或直接转移到显示背板上。

转让技术
人们正在探索许多传质方法，包括戳记、激光、基于辊的传质方法和使用流体的自组装方法。批量生产需要99.9999 (1 ppm)的转移产量。其中，基于邮票的转印是最成熟和流行的，例如X-Celeprint的Micro transfer Printing工艺。事实上，三星正在为The Wall电视使用基于印章的传输。

邮票是用聚二甲基硅氧烷(PDMS)注射成型制作的，并通过光刻和蚀刻创建了带有微小PDMS柱的光滑层。邮票尺寸一般为37 × 37毫米或49 × 49毫米。一种粘合剂墨水抓住微led阵列，然后用激光或其他方法将它们放置。ASM Pacific Technology、涩浦、东丽(Toray)和X-Display等公司都提供这些系统。

欧盟资助的MICROPRINCE最近报告了成功地使用基于印章的传输，它为异构集成提供了一条代工试验线。“我们展示了打印或转移收率高达99%，偏差小于1µm。尺寸小至100 x 100 x 5微米的器件被有效地转移和堆叠在CMOS目标模具上，”x - fab MEMS Foundry的MICROPRINCE协调员和转移打印项目经理Sebastian Wicht说。

据Virey介绍，为了进一步提高吞吐量，几家公司正在研究多头邮票系统、占地面积更大的邮票或两步转移流程。

图5:基于邮票和激光的microled到背板的传输方法提供了相当的吞吐量。来源:Yole Intelligence

基于激光的传输工具由3D Micromac, ASMPT, K&S, Shin Etsu, Toray和其他公司提供。器件分离的工作原理是烧蚀氮化镓的微观层，形成一个膨胀的氮层，以促进起飞。例如，在8 x 2mm2的视场内，激光脉冲可以高精度(+-1.5um)传输一组微型led。高选择性，激光工艺需要进一步发展，以满足显示器的吞吐量需求。

微型led传输的第三种替代方案是在流体介质中使用微型led的自组装，其中预先测试的微型led和振荡运动鼓励设备在小井中沉淀。夏普(Sharp)的子公司ELux Display正在对这一过程进行微调。“我们已经看到最近人们对自组装方法的兴趣，所以我不会把它排除在外，”维里说。

在转移之后，SMT结合过程，使用焊料沉积和回流焊，将芯片粘结到背板上。在这里进行了自动光学检测和PL和EL测试。当检测到有缺陷的microled时，使用激光或其他方法来移除和更换模具，称为修复。在最终显示级别，面板制造商再次执行AOI, EL和PL。

结论
虽然微led显示器距离商业化还有数年时间，但科技领域的大公司正在汇集半导体、光电子和显示领域的专业知识，以实现这一目标。创新的开箱即用的方法，如Porotech的所有颜色的单一GaN衬底，以及Aledia的纳米线照明，鼓励业界在谈到微led时大胆思考。

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