面向顯示應用的微米發光二極管外延和芯片關鍵技術綜述*

潘祚堅陳志忠? 焦飛2)詹景麟陳毅勇陳怡帆聶靖昕趙彤陽鄧楚涵康香寧李順峰王琦張國義沈波

1)(北京大學物理學院,人工微結構與介觀物理國家重點實驗室,北京100871)

2)(北京大學物理學院,核物理與核技術國家重點實驗室,北京100871)

3)(北京大學東莞光電研究院,東莞523808)

(2020年5月18日收到;2020年6月16日收到修改稿)

1 引 言

顯示技術是支撐現代信息社會的基礎技術,從簡單的交通信號燈、數碼管顯示到復雜的圖像、電視放送,再到虛擬現實(virtual reality,VR)、增強現實(augmented reality,AR),滲透到社會生產和人民生活的各個方面.近一個世紀以來,電子圖像顯示技術經歷了陰極射線管(cathode ray tube,CRT)顯示、液晶顯示(liquid crystal display, LCD)、發光二極管(light-emitting diode,LED)顯示以及激光(laser diode,LD)顯示技術等,目前仍在不斷地進步革新.如今CRT顯示器由于不滿足低功耗、高分辨率等顯示需求逐漸退出市場.LCD液晶顯示由于具有成本低、分辨率較高、對比度較高和壽命較長等優點成為了目前主流的顯示技術.傳統LED顯示屏因其高亮度和高穩定性等優勢,被廣泛用于室內外大型顯示場所.有機發光二極管(organic light-emitting diode,OLED)也由于它獨特的柔性特點、低功耗、廣視角和高響應速度等優勢在移動設備小屏顯示領域占據重要地位, 而LD顯示則在寬廣色域、高亮度等方面展示其優異的特性.

自20世紀90年代初氮化鎵基藍光LED發明以來[1], 全彩的大屏幕LED顯示已成為可能. 早期的LED顯示屏像素采用紅綠藍(RGB)三基色的LED結合而成, 由于封裝體尺寸較大, 使得像素間距達到20 mm (pixel pitch 20 mm, P20)左右. 隨著芯片尺寸縮小和封裝水平提高, 目前市場上像素間距為3 mm (P3)的顯示屏已經很常見. 進一步地, 芯片尺寸達到100 μm左右, 工業上稱之為mini-LED, 像素間距能夠達到0.2 mm (P.2)左右,mini-LED尺寸基本達到目前LED常用生產技術的極限. 在芯片尺寸和OLED可比的情況下, 亮度、對比度和可靠性等方面mini-LED顯示了巨大的優勢. 微米LED (micro-LED)則進一步把芯片尺寸縮減至50 μm以下, 由于micro-LED芯片尺寸小、集成度高和自發光等特點, 在顯示方面與LCD、OLED相比在亮度、分辨率、對比度、能耗、使用壽命、響應速度和熱穩定性等方面具有更大的優勢[2].

Micro-LED的技術來源于1992年的美國貝爾實驗室微盤激光器技術[3]. 2000年Jin等[4]首次制備了基于Ⅲ族氮化物的micro-LED, 2001年Jiang等[5]報道了用于顯示的芯片尺寸為12 μm、10 × 10陣列的藍光micro-LED; 2004年Jeon等[6]報道了芯片尺寸為20 μm、64 × 64陣列的紫外(ultraviolet,UV) micro-LED; 2013年Liu等[7]報道了芯片尺寸為50 μm、圖像分辨率為360 ppi的紫外和RGB micro-LED, 其研究組在2014年報道了芯片尺寸為15 μm、圖像分辨率為1700 ppi的藍光micro-LED[8,9]; 2015年Han等[10]報道了采用UV光激發量子點來實現顏色轉換的方法制備得到了芯 片 尺 寸 為35 μm的 全 彩RGB micro-LED;2017年Templier等[11]報道了基于硅襯底的芯片尺寸約為2 μm的藍光micro-LED; 2020年Bai等[12]報道了采用無需刻蝕的方法制備得到藍寶石襯底上芯片尺寸為3.6 μm的綠光micro-LED.Micro-LED顯示技術在不斷地向前發展, 表1為2001年至2020年6月micro-LED在顯示應用上的部分研究進展.

在micro-LED顯示應用方面, 索尼、三星等企業率先推出了micro-LED顯示屏. 索尼在2012年首次推出了55英寸(1英寸 = 25.4 mm)的micro-LED顯示屏“Crystal LED Display”, 2018年又推出了780英寸拼接成的“CLEDIS”16 K的micro-LED顯示屏. 三星在2018年推出了146英寸的“The Wall”micro-LED顯示屏. 國內也有不少企業在micro-LED顯示應用上取得成果. 2019年7月雷曼光電推出了324英寸8 K的micro-LED顯示屏,10月底康佳公司推出了236英寸8 K的“Smart Wall”micro-LED顯 示 屏, 11月 利 亞 德 推 出 了135英寸8 K的“The Great Space” micro-LED顯示屏. 伴隨著5 G技術逐漸開始商用, 5 G技術與VR、AR和8 K超高清視頻等顯示技術的結合將進一步推動micro-LED的發展.

表 1 2001—2020年micro-LED顯示部分進展Table 1. Some results of micro-LED display from 2001 to 2020.

隨著芯片尺寸減少到50μm以下,micro-LED制備的技術困難也大量顯現出來.Micro-LED的外延生長,在應力、缺陷的控制和波長、亮度均勻性上比大尺寸芯片要求更高.整個外延片的波長均勻性甚至需要控制在1 nm以內,電流密度在1 A/cm2以下仍需要保持較高的內量子效率.由于micro-LED芯片的橫向尺寸一般小于外延襯底的厚度,因此對于分立的RGB芯片組成像素單元,垂直結構和倒裝結構的micro-LED芯片都需要剝離襯底,這需要高效且無損的襯底剝離技術.而剝離技術與micro-LED芯片的外延和轉移技術均相關,對于芯片的機械強度和結構完整性有重要影響.Micro-LED芯片的巨量轉移問題是目前顯示應用的關鍵問題,不同于傳統的大尺寸LED芯片,應用于顯示的micro-LED芯片數量會達到數百萬甚至上千萬顆,而目前轉移技術的時效性和準確度難以滿足micro-LED芯片的巨量轉移需求.Micro-LED芯片的檢測和修復同樣面臨挑戰,傳統的檢測方法難以對微米尺寸且數量龐大的micro-LED芯片進行有效的檢測,并且若安裝在顯示基板上的micro-LED芯片出現故障或損壞,將很難對其進行修復或替換.在micro-LED的驅動方面,由于芯片繁復的轉移工藝和芯片間工作電流區間的差異,現有的薄膜晶體管(thin film transistor,TFT) 驅動和互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)驅動需要針對不同的應用做較大的改進.

Micro-LED顯示從誕生至今已近二十年,來自傳統LED、顯示以及集成電路領域的力量匯集于此,預示著micro-LED顯示方向光明的前景.近年來一些研究者已對micro-LED顯示應用中存在的部分問題做出總結[18?26],2020年Wong等[24]回顧了micro-LED在顯示和可見光通信領域的研究進程,并討論了micro-LED的尺寸效應給應用帶來的一些挑戰;Zhou等[25]系統性地歸納了micro-LED顯示在全彩化方面的關鍵問題,從多個角度介紹了micro-LED全彩色顯示的各種可行方案;Liu等[26]總結了量子點技術在micro-LED顯示中的應用進展情況,討論了基于量子點的micro-LED顯示技術在未來的發展潛力.這些總結對micro-LED的基本技術了解具有較大的幫助,特別是給出了許多有啟發性的見解,但是目前很少有文獻對micro-LED顯示從外延到芯片的一系列核心問題做全面的闡述.本文將對micro-LED顯示應用目前面臨的核心問題進行全面的分析,關注micro-LED外延生長和芯片工藝兩個方面,外延生長方面包括缺陷控制、極化電場控制和波長均勻性等問題,而芯片工藝方面包含全彩色顯示、巨量轉移和檢測技術等主要問題,并且討論可能的解決方案和未來的發展趨勢.

2 Micro-LED材料及外延生長

Micro-LED外延片的晶體質量會直接影響顯示效果.與大尺寸的LED芯片相比,micro-LED外延片缺陷、極化電場影響和波長均勻性等問題更為突出.由于micro-LED芯片尺寸在50μm以下,應用于顯示時處于低電流密度,此時由表面缺陷導致的非輻射復合變得尤為重要.并且由于尺寸減小使得同一外延片上芯片之間的穿透位錯密度統計漲落更加顯著,因此對于micro-LED需要更低缺陷密度的外延片,或者鈍化這些缺陷結構.Micro-LED有源區的極化電場會導致電子和空穴波函數分離,降低內量子效率,且極化電場會使得電流密度變化時發光峰值波長發生偏移,不利于顯示應用,因此需要有效地控制有源區的極化電場.相比于大尺寸器件,micro-LED分光分色比較困難,且micro-LED的波長均勻性直接影響顯示的色彩精準度,因此需要對micro-LED的波長均勻性提出更高的要求.

2.1 缺陷控制

當micro-LED應用于顯示時,對應的工作電流密度較低,從簡單的ABC模型來定性地考慮缺陷對micro-LED輻射復合效率的影響[27]:

其中ηrad為輻射復合效率,由于表面復合是以表面懸掛鍵作為非輻射復合中心,對載流子輻射復合的影響與Shockley-Read-Hall(SRH)復合類似,可將系數A對應SRH復合和表面復合等缺陷復合,系數B對應輻射復合,系數C對應俄歇復合,n為載流子濃度.在低電流密度條件下,載流子濃度n較小,系數C對應的俄歇復合基本可以忽略,而系數A對應的SRH復合和表面復合等缺陷復合成為影響輻射復合效率ηrad的主要因素.

Micro-LED芯片的側壁面積與臺面面積之比遠大于大尺寸LED芯片,這使得micro-LED芯片側壁具有更多的表面懸掛鍵,并且在器件制備過程中感應耦合等離子體(inductively coupled plasma,ICP)刻蝕會在芯片側壁附近造成損傷,因此這些表面懸掛鍵和由ICP刻蝕導致的側壁損傷會使得micro-LED面臨著更嚴重的表面缺陷問題.而micro-LED芯片由表面缺陷導致的非輻射復合比例上升,會導致輻射復合效率ηrad下降,從而使得內量子效率下降.

從實驗結果來看,當micro-LED在大電流密度的注入條件下,內量子效率比大尺寸LED更高,這主要歸因于micro-LED的應力弛豫、電流擴展和多體效應等[28?30].而在小電流密度的注入條件下,micro-LED相比于大尺寸LED會存在內量子效率的下降,主要原因在于micro-LED含有更嚴重的表面缺陷,其中包括表面懸掛鍵和由ICP刻蝕帶來的側壁損傷[30?34].

當micro-LED應用于顯示時,對應的工作電流密度較低,因此為了提高內量子效率,需要有效地抑制表面缺陷導致的非輻射復合. 一方面可以采用側壁鈍化[17,35?39]、濕法化學處理[39?42]和熱退火[31,42]等方法降低表面缺陷導致的非輻射復合對micro-LED內量子效率的影響.另一方面可以采用無損傷的刻蝕方法代替ICP刻蝕[43],或者采用新的制備方法避免對GaN的刻蝕[12].2012年Tian等[31]報道了適當增加熱退火時間能夠在一定程度上緩解側壁的刻蝕損傷對micro-LED的影響,提高micro-LED在低電流密度下的內量子效率.2018年Wong等[37]制備了從10μm到100μm的一系列尺寸不同的藍光micro-LED,分別采用原子層沉積(atomic-layer deposition,ALD)和等離子體增強化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)兩種方式在micro-LED芯片側壁沉積SiO2層進行鈍化,并采用ICP干法刻蝕和氫氟酸(HF)溶液濕法刻蝕兩種方式在側壁沉積的SiO2上開孔做金屬接觸.如圖1(a)、(b)所示,其中對比樣品LED-1未經側壁鈍化處理,LED-2經過ALD側壁鈍化和干法刻蝕開孔處理,LED-3經過PECVD側壁鈍化和濕法刻蝕開孔處理,LED-4經過ALD側壁鈍化和濕法刻蝕開孔處理,結果表明采用ALD側壁鈍化和濕法刻蝕開孔的方式對micro-LED側壁進行處理效果最好.對于芯片尺寸為20μm的micro-LED,側壁未經鈍化處理時其峰值外量子效率(external quantum efficiency,EQE)為24%,而經過原子層沉積的方式對側壁鈍化處理后其峰值EQE達到33%.2019年該研究組報道了先采用KOH溶液對micro-LED側壁進行化學處理,之后再通過ALD沉積SiO2進行側壁鈍化,這樣能夠更加有效地降低表面缺陷導致的非輻射復合[39].

2019年Zhu等[43]報道了采用中性粒子束蝕刻(neutral beam etching,NBE)的方法能夠有效地避免刻蝕損傷,圖1(c)、(d)分別為ICP刻蝕和NBE刻蝕處理得到的micro-LED EQE隨電流密度變化的曲線圖,由圖1(d)可知由NBE刻蝕處理的micro-LED的EQE沒有隨著尺寸縮小而下降,在1 A/cm2的小電流注入下各個尺寸的micro-LED EQE相差在10%以內,并且小尺寸的micro-LED EQE更高,這表明NBE刻蝕有效地避免了側壁的刻蝕損傷.2020年Bai等[12]采用無需對GaN進行干法刻蝕的方法在藍寶石襯底上制備了尺寸為3.6μm的micro-LED,該方法先在襯底上依次生長n-GaN層和SiO2層,之后對SiO2層進行光刻并刻蝕出微孔,再通過選區生長的方式在微孔中依次生長n-GaN層、量子阱層和p-GaN層,該制備過程中不需要對GaN進行干法刻蝕,從而避免了側壁的刻蝕損傷.采用這種方法制備得到的micro-LED裸芯的EQE約達到6%,是目前綠光micro-LED裸芯EQE的最高值,其內量子效率為28%,發光亮度可超過107cd/m2.

另外由于micro-LED尺寸一般小于50μm,在同一外延片上芯片之間的位錯密度統計漲落更加嚴重.位錯作為非輻射復合中心和反向漏電流通道會影響micro-LED芯片性能,這將導致不同芯片之間的發光性能差別過大,因此micro-LED應用于顯示時需要更低位錯密度的外延片.采用GaN襯底進行同質外延可以得到高晶體質量的外延片,但GaN襯底一般是在異質材料上通過氫化物氣相外延(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)生長得到[44],HVPE技術成本高且較難得到大尺寸的GaN襯底.目前生長GaN主要采用異質外延的方式,常用的異質外延襯底材料有藍寶石(a-Al2O3)、硅(Si)和碳化硅(SiC)襯底等.為降低異質外延GaN的位錯密度,常用的方法有緩沖層技術、側向外延(epitaxally lateral overgrowth, ELO)技術和圖形化襯底技術等.

圖1(a)采用不同的側壁鈍化和刻蝕開孔方法的micro-LED電致發光圖;(b)分別經過ALD和PECVD鈍化處理的20μm ×20μm的micro-LED在不同電流密度條件下的光輸出功率[37];(c)經過ICP刻蝕工藝制備的不同尺寸micro-LED的EQE與電流密度的關系;(d)經過NBE刻蝕工藝制備的不同尺寸micro-LED的EQE與電流密度的關系[43]Fig.1.(a)Electroluminescence images of the micro-LEDs with different sidewall passivation and etch methods at 1 A/cm2;(b)light output power characteristics of ALD and PECVD passivation methods at different current density for 20μm×20μm micro-LEDs[37];(c)EQE as a function of current density of micro-LEDs with different sizes fabricated by the ICP process;(d)EQE as a function of current density of micro-LEDs with different sizes fabricated by the NBE process[43].

緩沖層可以為后續的GaN生長提供高密度的成核中心,促進GaN的三維島狀生長轉變為橫向的二維生長,從而減少GaN的位錯密度.在藍寶石襯底上制備micro-LED的緩沖層材料有GaN[5,6,45]和AlN[46]等,在硅襯底上常用的緩沖層有AlGaN/AlN緩沖層[11,14,47]、AlN/GaN超晶格緩沖層[48]和臺階組分漸變(step-graded)AlxGa1-xN緩沖層等[16,49].北京大學寬禁帶半導體研究中心研究人員[50,51]在硅襯底上采用AlN和低Al組分AlGaN層作為緩沖層, 外延得到了厚度為8μm、表面光滑無裂紋的GaN, 并且位錯密度降到了1.6 ×108cm–2,同時采用這種緩沖層方法得到了最大厚度為10.2μm且無裂紋的GaN.2019年Feng等[52]報道了在Si(100)襯底上采用SiO2層和單晶石墨烯作為緩沖層制備得到了高質量的GaN晶體,具體生長過程如圖2所示,并系統研究了石墨烯上生長GaN的成核機理和外延機制,為micro-LED等GaN基光電器件與Si基電路的集成打下基礎.

側向外延常用的掩膜材料有SiOx、SiNx等,部分金屬如W、Ti和Al/Ti合金等同樣可以作為側向外延過程中的掩膜[53?55].在GaN生長過程中通過掩膜來阻擋位錯向上穿透,并在窗口區使得位錯彎曲合攏,這有效提高了后續生長的GaN晶體質量.石墨烯由于它獨特的二維屬性、良好的散熱性等性質,在生長過程中將其作為掩膜可以避免掩膜的光刻等步驟[56,57].2017年Xu等[56]報道了在藍寶石襯底上生長GaN過程中插入單層的石墨烯,利用石墨烯圖案化的納米結構作為掩膜可以使得穿透位錯減少一半.2019年Chung等[58]在As摻雜的n型Si(100)襯底上用射頻濺射的方法鋪覆一層100 nm的金屬鎢(W),之后鋪上石墨烯并刻出圖案作為側向外延的掩膜,再采用ZnO納米壁作為中間層,最后外延得到高晶體質量的GaN,從而制備了芯片間距為10μm的micro-LED,這種方法避免了巨量轉移過程,揭示了micro-LED與Si基電路一體化集成的可能性.

圖2在具有和不具有單晶石墨烯/SiO2緩沖層的Si(100)上分別生長單晶GaN薄膜的示意圖(a)在Si(100)上直接生長GaN/AlN,氮化物在兩種不同取向的臺面上成核;(b)Si(100)的表面結構;(c)NH3預處理后轉移的石墨烯;(d)石墨烯上的AlN成核島;(e)在AlN成核層上生長的條狀GaN;(f)在具有單晶石墨烯/SiO2緩沖層的Si(100)襯底上生長的單疇GaN薄膜[52]Fig.2.Schematic diagram of the epitaxy of single-crystalline GaN film on Si(100)without and with single-crystalline-graphene/SiO2 interlayers:(a)GaN/AlN directly grown on Si(100),Nitrides nucleate on neighboring terraces with two orientations;(b)surface construction of Si(100);(c)transferred graphene after NH3 pretreatment;(d)AlN nucleation islands on graphene;(e)GaN strips on the AlN nucleation layer;(f)single-domain GaN film on Si(100)substrate with single-crystalline-graphene/SiO2 interlayers[52].

由于側向外延技術外延需要兩步進行,中間需要插入掩膜,工藝相對復雜.圖形化襯底的引入可以避免二次外延,同時能提高外延層的晶體質量和光提取效率(light extraction efficiency,LEE)[59,60].襯底上的圖形能夠影響GaN成核中心的分布,在成核島合攏階段,部分位錯彎曲合并形成位錯環,而不直接向上穿透至表面,GaN位錯密度得到降低[61].而圖形化襯底的圖形形狀、間距和尺寸都會對外延片的質量造成影響,通常納米級圖形化襯底相比于微米級具有更高的EQE提升[62],但需要更高要求的制備方法,如納米壓印、納米球光刻等[63,64].北京大學寬禁帶半導體研究中心研究人員[65,66]采用納米壓印的方法制備了納米圖形化藍寶石襯底(nanopatterned sapphire substrate, NPSS),通過在NPSS襯底上生長GaN使得成核島合攏時間大大降低,生長的GaN薄膜中應力能夠有效地弛豫,位錯密度降低到1.8×108cm–2,表面粗糙度降低到0.1 nm以下.

2.2 極化場控制

c面生長的GaN存在自發極化(spontaneous polarization)電場,同時有源區InGaN與GaN的晶格失配會導致壓電極化(piezoelectric polarization)電場.極化電場的存在使得有源區的能帶發生傾斜,電子和空穴波函數在空間上重疊減小,輻射復合幾率下降,從而使得micro-LED內量子效率下降,同時由于極化電場的存在,當電流變化時峰值波長會產生偏移導致顯示色差[67,68].為了減小有源區中的極化電場影響,增加電子空穴的波函數重疊, 可以對極性GaN的有源區進行結構設計[69?81],或者采用半極性GaN材料進行替代c面GaN[82?86].

圖3(a)常規的In z Ga1–z N-GaN量子阱、兩層交錯的In x Ga1–x N/In y Ga1–y N量子阱和三層交錯的In y Ga1–y N/In x Ga1–x N/In y Ga1–y N量子阱的示意圖;(b)基于常規InGaN量子阱和三層交錯的InGaN量子阱的LED在波長為520—525 nm范圍內光輸出功率與電流密度的關系,插圖為三層交錯的InGaN量子阱的能帶示意圖[69]Fig.3.(a)Schematics of the conventional In z Ga1–z N-GaN quantum well(QW),two-layer staggered In x Ga11–x N/In y Ga1–y N QW and three-layer staggered In y Ga1–y N/In x Ga1–x N/In y Ga1–y N QW structures;(b)light output power vs current density for conventional In-GaN QW and three-layer staggered InGaN QW LEDs at l～520–525 nm,with the band lineups schematic of three-layer staggered InGaN QW[69].

有源區結構設計方法包括采用梯度生長溫度法來調整InGaN/GaN量子阱能帶形狀[69?74],或者采用AlGaN[75?79]、AlInN[80]和InN[81]插入層等方法進行極化匹配,來減小極化電場對micro-LED內量子效率的影響.采用梯度生長溫度的方法可以控制InGaN中的In組分,生長多層In組分不同的InGaN勢阱,從而形成能帶形狀交錯的InGaN/GaN量子阱,如圖3(a)所示.2011年Zhao等[69]系統地報道了能帶形狀交錯的量子阱在提高LED發光效率方面的作用.對于發光波長為520 —525 nm的三層交錯InyGa1–yN/InxGa1–xN/InyGa1–yN量子阱,其載流子輻射復合效率ηrad比傳統的InGaN/GaN量子阱提高了1.38—3.72倍,這使得LED的光輸出功率提高了2.0—3.5倍[71],如圖3(b)所示.AlGaN插入層可以調整量子阱的能帶結構,阻止InGaN中In向外擴散,同時AlGaN層的存在可以弛豫InGaN/GaN間的壓應力且有利于GaN勢壘層生長溫度提高,這些都有利于提高載流子輻射復合效率[75?78].2014年Hwang等[79]報道了采用AlGaN插入層的AlGaN/InGaN/GaN量子阱發光波長為629 nm時,對應的EQE為2.9%,相比于常規的InGaN/GaN量子阱有明顯提高,這表明引入AlGaN插入層可以提高LED在紅光等長波長范圍內的發光效率,有利于micro-LED的全彩化.2016年Kimura等[76]報道了在每層InGaN/GaN量子阱中插入厚度1 nm的不同Al組分的AlGaN層,其量子阱的能帶圖、載流子分布和復合速率如圖4所示,由載流子分布圖像可知相比于不含AlGaN層的量子阱,含有Al0.3Ga0.7N層的量子阱在靠近插入層一側的空穴濃度更高,且對比可知在小電流注入情況即2 A/m2下空穴濃度的提高更加明顯,從而增大了載流子輻射復合速率,因此薄AlGaN層的插入更有利于提高micro-LED在小電流注入下的內量子效率.AlInN和InN插入層同樣能緩解InGaN/GaN中的強極化電場,提高載流子輻射復合效率,提升micro-LED發光效率,并在紅光等長波長范圍相比于不含插入層的常規InGaN/GaN量子阱效率更高[80,81].

采用半極性GaN替代c面GaN能夠有效地減小極化電場,降低micro-LED有源區的量子限制斯塔克效應(quantum confined stark effect,QCSE),減小當電流變化時峰值波長的偏移,并且能改善GaN基LED的droop效應[82].半極性GaN相比于極性和非極性GaN具有更高的摻In能力[87,88],可以實現更長波長的光發射,因此應用于micro-LED的全彩色顯示有一定優勢[83].2015年Bai等[84]報道了基于(11-22)半極性GaN的LED可以實現從綠色到琥珀色這一較寬波段的光發射,且當注入電流變化時峰值波長的偏移相比于極性GaN更小,同時也有效地緩解了GaN基LED的droop效應.2019年Li等[85]在2英寸圖形化藍寶石襯底上外延(11-22)半極性GaN,制備了尺寸從20μm到100μm的一系列綠光的半極性micro-LED,盡管EQE在2%左右,遠低于目前基于c面GaN的micro-LED,但在峰移效應、droop效應和漏電流控制等方面相比于c面GaN micro-LED更具有優勢.2020年Huang-Chen等[86]在4英寸圖形化藍寶石襯底上生長半極性面為(20-21)的GaN,并借助量子點技術制備了全彩RGB的半極性micro-LED,如圖5所示,其峰值EQE能夠達到對應的c面GaN micro-LED的60%水平,當電流密度大小從1 A/cm2變化到200 A/cm2時,(20-21)半極性GaN micro-LED峰值波長的偏移為3.2 nm,而對應c面GaN micro-LED的峰移達到13.6 nm,這表明采用半極性GaN將有利于提高micro-LED顯示的色彩精準度.半極性GaN盡管在極化效應上相比于c面GaN具有優勢,但面臨著位錯和層錯密度難以有效控制的問題.由于晶格失配的影響,半極性GaN相比于c面GaN有更高的位錯密度.堆垛層錯由于垂直于c面GaN生長方向并且被阻擋在生長界面,而對于半極性GaN材料,高密度的堆垛層錯會一直穿透到器件表面,影響發光性能.目前通過緩沖層技術和側向外延等手段可以將位錯密度降低到108cm–2量級,同時將堆垛層錯密度控制在104cm–2量級[89,90],進一步采用取向控制外延(orientation controlling epitaxy,OCE)等方法能夠幾乎消除堆垛層錯[91,92],但半極性GaN的尺寸、成本和晶體質量還難以同時達到器件應用的水平.而傳統斜切極性GaN來獲取半極性GaN的方式成本過高,因此到目前為止依然缺乏低成本獲取高質量半極性GaN的有效方法.

圖4 含有Al y Ga1–y N薄插入層的量子阱的能帶圖、載流子分布和復合速率(a)量子阱中Al組分摩爾系數y =0;(b)量子阱中Al組分摩爾系數y =0.15;(c)量子阱中Al組分摩爾系數y =0.3;(d)量子阱中Al組分摩爾系數y =0;(e)量子阱中Al組分摩爾系數y =0.15;(f)量子阱中Al組分摩爾系數y =0.3;(a)—(c)和(d)—(f)的工作電流密度分別設定為2 A/cm2和30 A/cm2[76]Fig.4.Band diagrams,the corresponding carrier distribution,and the recombination rate of multi-quantum well(MQW)structures with thin Al y Ga1–y N interlayers.(a)and (d)show those of the MQWs whose AlN mole fractions were set to y =0;(b)and(e)show those of the MQWs whose AlN mole fractions were set to y =0.15;(c)and(f)show those of the MQWs whose AlN mole fractions were set to y =0.30.The operation current densities in(a)–(c)and (d)–(f)were set to 2 A/cm2 and 30 A/cm2,respectively[76].

圖5(a)在圖形化藍寶石襯底上生長的半極性GaN示意圖;(b)通過取向控制外延在圖形化藍寶石襯底上生長的(20-21)GaN截面的掃描電子顯微鏡圖像;(c)c面和半極性面micro-LED歸一化EQE的實驗數據和仿真曲線;(d)當電流密度在1—200 A/cm2范圍內變化時c面和半極性面micro-LED的峰值波長[86]Fig.5.(a)Schematic diagram of the semipolar GaN grown on a patterned sapphire substrate;(b)cross-sectional scanning electron microscope (SEM)image of (20-21)GaN grown on a patterned sapphire substrate by orientation-controlled epitaxy;(c)experimental data and simulation curves for normalized external quantum efficiency of c-plane and semipolar micro-LEDs;(d)peak wavelengths of c-plane and semipolar micro-LEDs in range 1 to 200 A/cm2 current density[86].

2.3 波長均勻性

基于技術進步以及工藝成本的考慮,GaN外延的襯底在不斷往大尺寸方向發展.襯底尺寸越大,外延片的波長均勻性越難以控制.而micro-LED芯片發射波長不一致導致的色差會影響顯示效果,圖6所示的是典型LED外延片波長分布圖.Micro-LED分光分色成本很高,因此外延片的波長均勻性對于實際應用有重要意義.為保證顯示效果,micro-LED芯片波長變化的標準差一般需要小于1 nm.InGaN/GaN LED的發光波長與InGaN中In組分直接相關,而InGaN中的In組分由生長過程中的流量大小和生長溫度決定,因此在生長過程中保持外延片上氣流和溫度的均勻性至關重要.

圖6典型的Micro-LED發光波長在外延片上的分布Fig.6.Typical distribution of emission wavelengths on wafer of micro-LED.

氣流的均勻性一般通過氣體流場模擬和優化金屬有機化學氣相沉積(metal-organic chemical vapour deposition,MOCVD)設備等方式盡可能地控制.德國Aixtron公司采用的行星式反應室中通過石墨盤整體旋轉保持各個外延片間的均勻性,同時又通過氣浮旋轉技術驅動各個小石墨盤自轉,以保持外延片上的氣流均勻性,并集成了實時外延片曲率和溫度監測傳感器來保證溫度的均勻性.2018年Aixtron公司報道了行星式反應室結構的MOCVD在6英寸基于藍寶石襯底的藍光和綠光LED外延片上可實現發光波長標準差分別為0.5 nm和0.75 nm,對于尺寸更大的8英寸基于硅襯底的藍光LED外延片,可實現波長標準差在1 nm左右[93].美國Veeco公司采用TurboDisc技術的MOCVD通過石墨盤高速旋轉配合層狀垂直氣流注入有助于提高外延片的波長均勻性,2018年Veeco公司報道了在6英寸基于藍寶石襯底的藍光LED外延片上可實現95%的區域內發光波長的波動控制在1—2 nm以內,而對于8英寸的基于硅襯底的藍光LED可實現外延片上90%區域內波長的波動控制在1—2 nm以內[94].

溫度的均勻性同樣會直接影響發光波長的均勻性,InGaN中In組分對溫度變化較為敏感,溫度相差1℃會造成InGaN LED發光波長的偏差達到1—3 nm[95].由于異質襯底與GaN間存在晶格失配和熱失配,在生長過程中外延片不可避免的彎曲會直接導致溫度的不均勻.為了提高外延片的溫度均勻性,通常可以采用增大襯底厚度、優化石墨盤設計、添加插入層[96,97]和激光處理襯底[98,99]等方法.外延片溫度的均勻性和它的曲率密切相關,而外延片的曲率與襯底的厚度和直徑的關系可表示為

其中σbow為外延片曲率,tepi和tsub分別為外延片和襯底的厚度,d為襯底的直徑[100],增大襯底厚度能有效地降低外延片的曲率.由于生長過程中外延片的彎曲會導致與水平的石墨盤接觸不均勻,因此可以通過設計石墨盤基底的曲率使得外延片能夠與基底充分接觸提高溫度均勻性.添加AlN等插入層、對襯底進行激光聚焦處理都是通過引入應力來補償外延片在生長過程中產生的應力,從而減小外延片的曲率,提高溫度均勻性.

2012年Aida等[98]通過對藍寶石襯底進行激光聚焦處理,將其由單晶轉變為非晶態,而產生的非晶材料密度是藍寶石單晶的1.14倍,這會使得襯底由于內部體積變化產生應變,用于補償襯底與GaN之間的應變,從而降低外延片的曲率,有利于保持溫度的均勻性.2013年Liu等[96]報道了在6英寸圖形化Si襯底上依次生長AlN和臺階組分漸變AlxGa1–xN作為緩沖層,再分別生長不同厚度的AlN插入層,之后生長GaN層等結構,最后發現30 nm的AlN插入層有利于保持波長均勻性,其對應的外延片無裂紋且波長變化標準差約為1.52 nm.2013年Nishikawa等[101]報道了通過在直徑為8英寸的Si(111)襯底上生長AlGaN/AlN緩沖層,之后生長2μm厚的高摻Si濃度(約為5×108cm–3)的n型GaN層,再生長量子阱等結構,最后得到了總厚度約為5.2μm的無裂紋且均勻性良好的外延片, 其發光峰值波長為445.2 nm,發光波長變化的標準差為2.53 nm.2019年Nishikawa等[97]報道了通過在生長緩沖層后添加多個插入層,且在生長過程進行時調節插入層的生長條件來控制應變,在直徑為8英寸的Si(111)襯底上外延得到了GaN厚度為6.5μm的無裂紋的外延片,對應的光致發光圖如圖7所示,發光波長峰值為465.7 nm,波長變化的標準差為0.854 nm,外延片上有85.3%的面積波長波動在2.5 nm范圍內.然而由于紅光等長波長的波動對In組分變化更加敏感,保持其波長均勻性將會更加困難.

圖7(a)基于200 mm尺寸硅襯底的GaN LED外延片光致發光的偽色彩圖;(b)不同發光波長的芯片數量統計[97]Fig.7.(a)The pseudo-color image of photoluminescence mapping of the 200 mm GaN-on-Si LED epiwafer;(b)statistics on the number of chips with different emission wavelengths[97].

2.4 小結

在缺陷控制方面,從目前的實驗結果來看,micro-LED尺寸減小帶來的內量子效率下降主要來源于懸掛鍵和側壁損傷等表面缺陷導致的非輻射復合.采用側壁鈍化、濕法化學處理和熱退火等方法可以在一定程度上緩解效率的下降,而更為有效徹底的方法是采用中性粒子束刻蝕等無損傷的刻蝕方法,或者設計新的micro-LED制備方法以避免對GaN的刻蝕.同時位錯對于micro-LED也有著不可忽視的影響,位錯會作為非輻射復合中心和反向漏電流通道影響micro-LED的芯片性能,高的位錯密度會導致不同micro-LED芯片間發光性能差別過大.為降低外延片的位錯密度,緩沖層技術、側向外延技術和圖形化襯底技術等都是常用的方法.然而micro-LED對于位錯密度、應力控制的較高要求,需要對這些方法做進一步的研究.

在極化場控制方面,由于低電流密度下極化電場導致的量子限制斯塔克效應會降低micro-LED內量子效率,且電流變化引起的峰移效應會影響顯示效果.為了減小極化電場,對極性GaN的有源區進行結構優化是目前十分有效的方法,如采用梯度生長溫度法來調整量子阱能帶形狀或者采用AlGaN、AlInN或者InN插入層等方法.目前看來采用AlGaN等插入層更能滿足micro-LED的顯示需求,原因在于AlGaN等插入層不僅能夠提高輻射復合效率,同時也能提高紅光等長波長LED的效率,有助于micro-LED的全彩化.采用半極性GaN進行替代能夠從根本上解決極化電場問題,是較為長遠的解決方案,但目前基于半極性GaN的micro-LED的EQE還有待提高,并且高質量半極性GaN的制備成本依然難以接受.

在波長均勻性方面,對于micro-LED顯示應用來說,外延片的波長均勻性是非常關鍵的需求.波長不一致會直接影響顯示效果,且會帶來額外的分光分色成本.為保持波長均勻性,需要控制生長過程中氣流和溫度的均勻性.氣流和溫度的均勻性主要取決于MOCVD設備,這需要各個MOCVD生產廠商針對micro-LED的需求,對反應室整體設計做出相應的調整,通過優化氣流注入和石墨盤設計來滿足波長均勻性的高要求.對于溫度均勻性的控制,外延片也可以做出相應的調整以降低生長時的彎曲曲率,主要方法有增大襯底厚度、添加插入層和激光處理襯底等.

3 Micro-LED芯片工藝

由于micro-LED芯片尺寸在50μm以下,遠小于常規的LED芯片.芯片尺寸的減小,為后續的芯片工藝在全彩色顯示、巨量轉移和檢測技術等方面提出一系列技術難題.Micro-LED用于顯示時需要高效率的RGB三基色LED,而目前InGaN/GaN LED在紅光條件下發光效率較低,AlGaInP四元系紅光LED芯片在微米尺寸下效率也不高,難以滿足顯示應用的需求.制備過程中需要將數量龐大的micro-LED芯片快速且準確地轉移到驅動背板上,采用傳統的轉移方案耗時過長且準確度不足,因此需一種低成本、高時效且精確度高的巨量轉移方法.為保證生產良率需要對巨量的micro-LED芯片進行快速準確的檢測,以修復或移除其中的壞點,目前常用的光致發光和電致發光檢測需要針對micro-LED巨量檢測的需求做出優化,同時也迫切需要能夠滿足micro-LED巨量檢測的新方法.

3.1 全彩色顯示

將micro-LED用在顯示上實現全彩化,需要解決RGB三基色的問題,目前InGaN/GaN LED可以在藍光和綠光等波段實現高效發光,而對于In含量更高的紅光波段發光效率偏低,因此紅光LED一般使用AlGaInP四元系材料.造成紅光InGaN LED制備困難的原因主要有極化場導致的QCSE效應[67,68]、In偏析導致的載流子局域化問題[102]、更嚴重的晶格失配和更低的InGaN生長溫度導致的高缺陷密度問題.為解決micro-LED顯示的全彩化問題, 主要的解決方案有:1) RGB三基色LED直接排列法;2)用UV/Blue LED激發量子點法;3)設計一些特殊的結構,如納米柱LED,或者設計不同形狀的LED并通過改變電流大小使不同In組分的量子阱發光.圖8為RGB排列法和UV/Blue LED激發量子點法的示意圖.

圖8(a)分立RGB排列法;(b)UV/Blue LED激發量子點法Fig.8.(a)Assembling RGB individual LEDs;(b)exciting quantum dots by UV/Blue LED.

將RGB三基色LED通過平行或垂直的方式排布,改變脈沖電流周期和占空比來調整顏色混光,可以實現micro-LED的全彩色顯示[103,104].藍綠光采用InGaN/GaN LED,紅光等波段一般采用AlGaInP LED.但是小尺寸下,AlGaInP LED相比于InGaN/GaN LED表面復合速率更快[105],并且兩者結溫、生長條件等性質不同,將它們集成到同一個像素單元上還存在問題需要解決.全彩化在效率和可靠性上期待高效率紅光InGaN/GaN LED的推出.2017年Kang等[106]通過透明材料將藍光和綠光LED垂直鍵合,制備了芯片尺寸為75μm并可在450—540 nm波長范圍發光的mini-LED;2018年其研究組通過選區生長(selective area growth,SAG)技術將基于InGaN的藍綠光LED垂直排布,再水平粘接基于AlGaInP的紅光LED,從而制備了RGB三種芯片直徑分別為150,150μm和250(外徑)—150μm(內徑)的全彩色mini-LED,如圖9所示[107].

圖9 RGB LED的制備過程示意圖:(a)使用選擇性區域生長制備藍光和綠光雙色LED;(b)使用粘合劑集成紅光LED的過程;(c)最終器件的俯視圖和橫截面圖,RGB LED以藍光、綠光、紅光和白光模式(從上到下)依次顯示的顯微圖像[107]Fig.9.Schematic of the fabrication process of the hybrid RGB LEDs:(a)The fabrication process of the blue/green dual-color LEDs using selective area growth;(b)the process for the formation of the red pixels using adhesive bonding;(c)top and cross-sectional views of the final device,microscopic images of the hybrid RGB LEDs in(top to bottom)blue,green,red and white color modes[107].

通過紫外或藍色等短波長的LED發光激發量子點或熒光粉等顏色轉換材料的方式可以在單一的InGaN/GaN材料上實現RGB發光,從而實現全彩化.該方法無需從不同晶圓上分割出單色micro-LED芯片組裝成RGB像素,而是通過在未切割的紫光或者藍光micro-LED芯片陣列上涂覆顏色轉換材料來實現綠光和紅光的發射,是制備高分辨率微顯示屏的優選方案.采用紫外光源激發顏色轉換材料相比于藍色光源來說,它具有效率更高并且避免藍光干擾的優勢,但紫外光源成本相對更高,且需要避免紫外光泄露.目前常用藍光與熒光粉組合制作白光LED,但熒光粉會吸收部分能量且常規的熒光粉顆粒尺寸較大,因此應用到micro-LED上有一定困難.而量子點處于納米尺度,吸收光譜寬、發射光譜窄,可以通過改變量子點的尺寸大小來調節發射光的波長[108],因此量子點應用在micro-LED上相較于傳統的熒光粉材料具有一定的優勢.2008年Gong等[109]通過紫外micro-LED激發CdSe/ZnS量子點實現了綠光和紅光的顏色轉換,揭示了量子點在micro-LED全彩色顯示中的應用,但對不同顏色單元間的串擾和紫外光的泄漏沒有做更詳細的討論.2015年Lee等[110]通過藍光micro-LED激發CdSe/ZnS量子點發紅光,采用布拉格反射層和ZnO納米棒陣列提高了紅光出射效率.同年Han等[10]通過氣流噴印技術將RGB三種轉換顏色的量子點涂覆在紫外micro-LED上,并結合布拉格反射層阻擋紫外光泄露,制備得到了芯片尺寸為35μm、128×128陣列的全彩RGB micro-LED,如圖10(a)所示.

然而量子點涂覆的均勻性和精確度會影響micro-LED顯示效果,容易造成各顏色之間相互串擾,研究表明可以在噴涂量子點時使用光刻膠模具[111],或者采用更高精度的噴涂技術來提高量子點的涂覆質量[17].2017年Lin等[111]采用紫外micro-LED激發量子點得到RGB三色光,并借助光刻制作的模具有效提高了量子點的涂覆精度,降低了不同顏色像素間的光學串擾,光刻膠模具如圖10(b)所示.2019年該研究組采用量子點涂覆寬度小于2μm的超微噴墨(super-inkjet,SIJ)印刷技術得到了顯示效果更好的單片RGB micro-LED[17],量子點涂覆效果如圖10(c)所示.量子點雖然產額較高,但是對于幾個納米尺寸的量子點分散組裝以及micro-LED較薄的熒光層要求來說,顏色轉換效率低仍然是量子點應用于micro-LED較大的問題.2018年Lin等[112]和Chang等[113]引入了金屬納米Ag顆粒的方法來增強CdSe/ZnS量子點的轉換效率,在量子阱和量子點之間的Ag顆粒同時增強量子點、量子阱發光效率10%以上,同時熒光響應速度也得到提高.2019年Wang等[114]通過短距離的化學鍵把量子點鏈接在金屬Ag納米顆粒的表面,從而進一步增強量子點發光效率20%以上.

圖10(a)基于量子點的全彩色顯示micro-LED的制備流程[10];(b)光刻膠模具的光學顯微鏡圖像,其尺寸為35μm×35μm、間距約為40μm,以及光刻膠模具的激光掃描儀顯微鏡圖像,其模板高度為11.46μm[111];(c)熒光顯微鏡下使用最新的超微噴墨印刷技術在玻璃上用紅色量子點印刷的圖案(插圖描繪了最小線寬)以及沉積的量子點的原子力顯微鏡圖像[17]Fig.10.(a)The process flow of the full-color emission of quantum-dot-based micro-LED display[10];(b)optical microscopy image of photoresist square windows with the pixel size of 35μm×35μm,where the pitch is about 40μm.And the laser scanner microscope image of the photoresist square wall,where the height of the wall is 11.46μm[111];(c)fluorescence microscopy image of patterns printed by red quantum dots on a glass by using the latest SIJ printing system(the inset depicts minimum linewidth)and atomic force microscopy (AFM)image of deposited quantum dots[17].

圖11 SEM鳥瞰圖和He-Cd激光器激發的不同直徑InGaN/GaN納米柱的發射圖像:(a)143 nm;(b)159 nm;(c)175 nm;(d)196 nm;(e)237 nm;(f)270 nm[116];AlN/Si納米模板上的InGaN納米柱LED:(g)InGaN納米柱LED示意圖;(h)納米柱LED的SEM俯視圖;(i)納米柱LED的SEM鳥瞰圖[117]Fig.11.Bird’s-eye-view SEM and emission images excited by He–Cd laser from InGaN/GaN nanocolumns:(a)143 nm;(b)159 nm;(c)175 nm;(d)196 nm;(e)237 nm;(f)270 nm[116];InGaN nanocolumn LEDs on the AlN/Si nanotemplate:(g)schematic of the InGaN nanocolumn LEDs;(h)top-view SEM image of the obtained nanocolumn LEDs;(i)bird’s-eye-view SEM image of the obtained nanocolumn LEDs[117].

一些特殊的結構,如納米柱LED等同樣可以用來實現單片集成的micro-LED全彩化.由于納米柱LED側向約束遠小于普通尺寸的LED,可以有效地弛豫應力,從而有效地降低GaN位錯密度并減小其極化電場,提高LED的發光效率[115].如圖11(a)—(f)所示,通過控制納米柱的直徑可以改變納米柱的In含量,從而改變發光波長,實現在同樣的基底上外延出RGB三種顏色的納米柱LED陣列[116].2018年Yamano和Kishino[117]報道了通過納米壓印光刻、干法刻蝕和選區生長等手段在AlN/Si襯底上制備了直徑為220 nm、發光波長約為504 nm的藍綠光納米柱LED,如圖11(g)—(i)所示,并揭示可以通過在同一片基底上制備直徑在80—300 nm范圍的納米柱LED來實現micro-LED的全彩色顯示.另外一些研究表明可以通過設計不同形狀的InGaN/GaN LED,如納米棒、金字塔形、六方環形和多面量子阱等[118?121],進而通過改變電流密度大小使得不同區域且不同In組分的量子阱發光的方式來控制LED發出不同波長的光.這些微小結構需要的生長條件比較復雜,且難以準確地控制發光的波長,因此在應用上有一定困難.

3.2 巨量轉移

在micro-LED芯片制備完成后,需要將其轉移到電流驅動的背板上.Micro-LED芯片尺寸在50μm以下,一次micro-LED芯片轉移的像素數量會達到數百萬到千萬量級,采用傳統的轉移技術將耗時過長.對于分辨率為1920×1080的全高清顯示屏,為了控制壞點在5個以下,良率需要達到99.9999%.目前的轉移技術難以滿足如此高的良率要求,因此需要一種既滿足時效性,又要保證極高的準確率的巨量轉移技術.隨著各種micro-LED技術路線的提出,巨量轉移方案也呈百花齊放之勢,主要有抓取釋放法、激光剝離法、流體組裝法和滾軸轉印法等.下面介紹其中的抓取釋放法和激光剝離法.

3.2.1 抓取釋放法(Pick and place)

對于抓取釋放法一般采用各種不同類型的作用力將micro-LED芯片抓取到轉移頭上,之后通過精準地移動轉移頭,將micro-LED芯片移動到對應的驅動電路基板位置,再通過調整作用力將micro-LED芯片釋放到基板上.轉移過程中所采用的作用力有范德華力、靜電力和磁力等,不同的研究單位在各自的技術方案上都積累了大量的發明專利.

圖12(a)轉移印模從裝有密集微器件的原晶圓上獲取微器件陣列;(b)將分散的微器件轉移到接收基板上;(c)轉移印模的橫截面示意圖;(d)有效面積為100 mm×50 mm的轉移印模陣列照片,插圖為彈性印模表面的電子顯微鏡圖像[130]Fig.12.(a)Transfer stamp retrieves an array of micro-devices from a native wafer with densely packed micro-devices;(b)transfer the dispersed micro-devices onto the receiving substrate;(c)a transfer stamp is illustrated in cross section;(d)a photograph of a transfer stamp with a 100 mm×50 mm active area,the inset shows an electron micrograph of the surface relief on the elastomer stamp[130].

美國的X-celeprint公司等單位選擇采用彈性印模進行轉移,通過調整彈性印模與micro-LED芯片之間的范德華力大小來對芯片進行拾取和放置.如圖12所示,在轉移過程中要實現轉移micro-LED芯片與原基底分離,需要對原基底進行處理,使得芯片陣列與原基底只通過部分錨點和系鏈相連接.利用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)材料作為轉移的彈性印模,通過控制彈性印模與micro-LED芯片之間的范德華力使芯片陣列與原基底分離,再高精度地控制轉印頭將其轉移到接收基板上的準確位置.這種轉印技術最早在2006年由Meitl等[122]提出.2009年Park等[123]揭示了這種轉印方法可用于LED顯示領域,可以對不同形狀、尺寸小到微米尺度,并且可以是平面或柔性的LED進行轉移.在這之后由Xceleprint公司采用PDMS微轉印的方式對半導體器件與硅基電路的集成做了一系列的嘗試[124?131],其中包含對micro-LED的巨量轉移[129,130],并且這種微轉印技術的對準精度可達到±1μm[131].2017年X-celeprint公司報道了將PDMS微轉印技術用于轉移micro-LED時,在轉移效率方面,對于芯片尺寸為75μm×90μm的LED芯片陣列,單次轉移的數量可達到8萬余顆,且單次轉移的時間控制在45 s內.在轉移精度方面,對于轉移芯片尺寸為70μm×35μm的LED芯片陣列,良率達到99.99%,且可轉移的最小micro-LED尺寸達到3μm×3μm[132].

LuxVue公司等單位通過調控靜電作用力將micro-LED芯片吸附并準確放置到基板上. 文獻[133]中介紹了調控靜電作用力轉移micro-LED的具體過程.首先將轉移頭定位在micro-LED芯片陣列單元上方,轉移頭包含兩個硅電極,通過對兩硅電極分別施加正、負電壓產生靜電力拾取micro-LED芯片,然后移動到所需轉移到的驅動電路基板位置,通過關閉電源、降低兩硅電極間電壓或改變電壓波形等方式釋放陣列單元,將micro-LED芯片放置到對應的基板位置從而完成轉移.文獻[134]中選擇在micro-LED芯片中均勻地摻入磁性材料如鐵鈷鎳等使micro-LED芯片附有磁性,利用通電的電感線圈產生磁力對micro-LED芯片進行吸附,之后斷電消除磁力將micro-LED芯片釋放到目標基板上.

3.2.2 激光剝離法(Laser lift-off)

英國Optovate公司、日本索尼公司等研究單位選擇了激光剝離的巨量轉移方案[135?138],采用激光剝離的方式則避免了對micro-LED芯片的抓取過程,借助激光將micro-LED芯片從襯底上剝離并放置在接收基板上.首先將待轉移的micro-LED芯片粘合在臨時轉移襯底上,使用紫外激光器發射紫外光照射在micro-LED芯片GaN/藍寶石襯底界面上,靠近界面處的GaN吸收紫外光能量并受熱分解,使得micro-LED芯片從原襯底上剝離.之后再通過激光將臨時轉移襯底上的粘合材料分解,從而將micro-LED芯片從臨時轉移襯底上剝離放置到目標基板上.如圖13所示,由于發射激光的光子能量小于藍寶石襯底禁帶寬度,大于GaN禁帶寬度而被GaN強烈吸收,從而產生高溫使靠近藍寶石襯底界面GaN分解成Ga和N2.2019年Ezhilarasu等[139]報道了基于激光剝離的micro-LED巨量轉移方法,由于在激光剝離過程中可能會使得micro-LED芯片表面出現凹陷和裂紋等損傷,該方法采用電鍍鎳支撐層的技術來緩解激光剝離過程中的應力,使得激光剝離過程的良率接近100%.他們采用可激光剝離的熱塑性聚酰亞胺材料作為臨時轉移襯底和micro-LED芯片的粘合材料,將micro-LED芯片從原襯底激光剝離后,通過激光分解粘合材料將micro-LED芯片選擇性地放置在接收基板上,從而使得整體轉移良率高于99%.

圖13激光剝離工藝的示意圖和氮化鎵/藍寶石界面的能帶圖[139]Fig.13.Schematic of the laser lift-off process along with the band diagram of the GaN/sapphire interface[139].

采用激光剝離法對micro-LED芯片進行轉移,需要精確地控制激光的功率和束斑大小,以避免對micro-LED芯片造成損傷.目前用于GaN激光剝離的激光器主要有釔鋁石榴石(YAG)激光器和氟化氪(KrF)準分子激光器[140?143],用于micro-LED芯片剝離時,一般選擇作用時間短、脈沖能量合適的激光器來減少損傷.北京大學寬禁帶半導體研究中心與東莞市中鎵半導體科技有限公司合作研制出了YAG微區激光剝離的設備原型,該設備能夠快速且低損傷地對GaN基LED芯片進行剝離轉移.激光器對應的激光波長為355 nm,激光脈沖能量在0—300μJ范圍內可調, 脈沖寬度為30 ns,最高頻率可達50 kHz,光斑大小在微米尺度,掃描一片4英寸整片所需時間可控制在5 min.盡管YAG激光器的剝離閾值能量密度比KrF激光器有所增加,但單個脈沖的能量小于KrF激光器,對GaN造成的剝離損傷更小,有利于滿足micro-LED芯片巨量轉移的大規模、高時效需求[142,143].

3.3 檢測技術

Micro-LED用于顯示時芯片數目達到數百萬甚至上千萬顆,在生產過程中需要及時檢測出顯示芯片中的壞點進行移除或修復.目前常用的micro-LED顯示芯片檢測技術為光致發光(photoluminescence,PL)掃描繪圖(mapping)技術和電致發光(electroluminescence,EL)技術,PL測試能在不接觸且不損壞LED芯片的情況下對其進行發光波長、亮度快速掃描測試,但無法檢測出芯片電學性能上的問題,影響檢測的準確度.EL測試通過對LED芯片加以電流來進行測試,準確度比PL測試更高.但EL測試工藝復雜,測試過程中要進行多次轉移,且需要專門的測試裝置,一些探針還可能造成芯片損傷,傳統EL測試并不能滿足高效檢測的要求.因此需要對現有的PL和EL測試做出相應的改進,以滿足micro-LED的巨量檢測需求.

3.3.1 PL檢測

Micro-LED應用于顯示時對于波長和亮度的均勻性要求很高,因此對micro-LED波長和亮度的檢測尤為重要.PL的光譜可以提供micro-LED的發光波長和亮度等信息,這有助于提前挑選出芯片中的壞點進行修復和移除,保證波長和亮度的均勻性.PL檢測具有簡單方便、檢測速度快、無接觸且無損傷等優點,可以對micro-LED芯片的發光特性進行初步的判斷,但其缺點在于無法得到芯片的電學性能,檢測準確度不夠高.因此應用于micro-LED的檢測時,可以將PL與其他手段結合來提高其檢測的準確度,比如增加對散射光譜的分析來提取micro-LED芯片更多的結構信息[144?147].

通過分析散射光譜中的拉曼信號可以得到micro-LED芯片的位錯密度[148]、應力分布[149]、載流子濃度[150]、刻蝕損傷[151]、Mg受主的激活[152]以及工藝過程中產生的中間化合物等一系列信息.根據拉曼信號能對micro-LED芯片的電學性能做出精確的判斷,結合PL提供的波長、亮度特性可以對micro-LED進行快速準確的檢測.北京大學寬禁帶半導體研究中心研究組針對micro-LED的巨量檢測需求,提出了共焦顯微拉曼結合PL的檢測系統.共焦顯微拉曼檢測過程簡單、檢測速度快,能夠實現無傷檢測,其激發光的光斑大小在微米左右,能夠滿足micro-LED的分辨率要求.如圖14所示,激光器發射激光經過光路照射到micro-LED芯片表面微米大小的區域,之后該區域中芯片的PL和拉曼信號返回光路進入多通道光譜儀,多通道光譜儀中分光光路將micro-LED芯片的PL和拉曼信號分離,并分別提取PL和拉曼光譜.根據PL譜和拉曼光譜可以準確地判斷該區域內micro-LED芯片的發光特性和電學性能,根據指標對micro-LED芯片進行分類從而完成檢測[146,147].

3.3.2 EL檢測

EL檢測可準確地提供micro-LED芯片的電學性能,給出芯片的發光波長和亮度等信息,然而檢測過程比較復雜,目前速度難以滿足micro-LED巨量檢測要求,且檢測時與芯片接觸可能對芯片造成損傷.對于micro-LED芯片的巨量測試,需要對檢測過程進行改進提高檢測速度并盡可能地減小芯片損傷,目前國內已有一些關于改進micro-LED EL檢測方法的專利,比如通電點亮micro-LED后使用光敏膠來移除壞點[153,154];使用特殊設計的電極和探針,實現不需要封裝即可對micro-LED進行加電檢測[155];使用多對的正負電極條技術,可以同時測量多個micro-LED[156];采用特殊設計的檢測基板實現對micro-LED的自動檢測[157];或者引入TFT測試板等來完成大面積的面板測試[158].

通過EL點亮LED后,一般采用大尺度范圍內的總亮度來檢測LED發光亮度,這難以滿足微米尺度的micro-LED芯片巨量測試要求.數碼相機的圖像傳感器可以將光信號轉化為電信號獲取亮度信息,而將高像素的數碼相機與顯微鏡系統結合能夠有效地提高分辨率,達到micro-LED芯片的微米尺度,因此數碼相機與顯微系統結合的亮度檢測方法能夠準確地給出單個micro-LED芯片的亮度信息.2018年Zheng等[159]報道了基于數碼相機顯微成像系統的micro-LED芯片表面亮度檢測系統,在施加電流點亮micro-LED之后,通過采集數碼相機的圖像和曝光時間獲取芯片表面亮度信息,并通過自制的數據處理軟件對各個芯片的亮度信息進行分析處理,從而挑選出亮度異常的壞點.圖15(a)—(c)為實驗測得單個50μm×50μm的micro-LED芯片亮度的偽彩色圖和3D分布,圖15(d)、(e)為部分micro-LED芯片發光圖以及亮度與外加電壓的曲線圖,根據各個芯片的平均亮度值可判斷出8號芯片為亮度異常的壞點.

圖14 Micro-LED芯片共焦顯微拉曼結合PL檢測系統示意圖[146]Fig.14.Schematic diagram of confocal micro Raman combined PL inspection system of micro-LED[146].

3.4 小結

在全彩色顯示方面,RGB排列法、量子點顏色轉換法和納米柱LED等都是可能的解決方案.對于RGB直接排列法,目前InGaN LED紅光等長波長效率仍然低下,需要進一步提高紅光InGaN LED的效率,而AlGaInP LED存在著更嚴重的表面復合,并與藍綠光InGaN LED集成存在驅動、老化問題.量子點轉換技術能夠有效地實現全彩化,在micro-LED顯示領域具有廣闊的發展前景,但目前量子點轉換效率需要進一步提高.通過改變納米柱直徑來調整納米柱LED發光波長,但納米柱LED面臨著In組分難以精確控制的問題,同時也需要克服納米柱LED與驅動電路的集成問題.

在巨量轉移方面,抓取釋放法、激光剝離法、流體組裝法和滾軸轉印法等都有各自的優勢.相比較而言,借助PDMS微轉印的抓取釋放法和激光剝離法是比較具有應用前景的轉移方法.PDMS微轉印技術經過十幾年的發展逐漸成熟,在micro-LED巨量轉移上也實現了較高的良率和產能,但對抓取表面的平坦度有較高的要求,需要更精確地控制范德華力的大小.激光剝離法避免了抓取過程,可以實現micro-LED的選擇性轉移,微區激光剝離技術可以避免對芯片造成較大的損傷,同時產能也得到較大的提高,不過和CMOS鍵合技術以及相關的亞微米制備技術需要進一步提升.

圖15(a)I =10μA時,單個micro-LED芯片對應的亮度的偽彩色圖和3D分布;(b)I =25μA時,單個micro-LED芯片對應的亮度的偽彩色圖和3D分布;(c)I =50μA時,單個micro-LED芯片對應的亮度的偽彩色圖和3D分布;(d)micro-LED陣列中的部分芯片;(e)這些芯片在不同電壓下的平均亮度[159]Fig.15.(a)The pseudo color map and 3D distribution of the luminance of the single micro-LED chip,I =10μA;(b)The pseudo color map and 3D distribution of the luminance of the single micro-LED chip,I =25μA;(c)The pseudo color map and 3D distribution of the luminance of the single micro-LED chip,I =,50μA;(d)the certain chips on the micro-LED array;(e)the average luminance of these chips under different voltages[159].

在檢測技術方面,PL測試能對LED芯片進行檢測速度較快的無傷測試,但難以檢測出電學性能,需要與其他手段結合提高micro-LED檢測的準確性.共焦顯微拉曼結合PL檢測具有快速、準確、分辨率高且無傷測試的特點,能夠對micro-LED芯片的電學性能和發光特性做出全面的判斷,可以作為micro-LED巨量檢測的有效手段.EL測試效果準確且全面,但速度相對較慢,且檢測過程可能對芯片造成損傷,需要改進以提高檢測速度和減小芯片損傷.借助數碼相機顯微成像系統能夠對單個micro-LED芯片EL的表面亮度信息做出準確判斷,但同樣需要提高檢測速度來滿足micro-LED檢測需求.

4 總結和展望

本文說明了micro-LED顯示的發展現狀,介紹了在外延生長和芯片工藝兩方面存在的困難及可能的解決方案,外延生長方面包括缺陷控制、極化場控制和波長均勻性問題,芯片工藝方面包括全彩色顯示、巨量轉移和檢測技術問題,并對各種解決方案的可行性進行了探討.Micro-LED作為新一代的顯示技術, 在顯示效果上有著LCD和OLED難以企及的優勢.隨著商用5 G技術的推廣,人們對于高度微型化和集成化的顯示技術需求越來越強烈.目前micro-LED顯示技術經過長達二十年的技術積累,相關的技術難題正在逐步地被克服,一些micro-LED顯示產品初步走入大眾的視野.Micro-LED顯示技術未來將在VR/AR、智能手機、平板電腦、高階電視和可穿戴設備等各個領域發揮出不可替代的作用.現階段在世界范圍內越來越多的企業等單位投身到micro-LED顯示的研發中,國內也有不少高校、企業等單位在這一領域做出突出貢獻,相信在不久的將來micro-LED顯示技術必定會走入大眾生活,在顯示領域占據至關重要的地位.