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Micro LED显示中的关键激光剥离技术

2019年美国拉斯维加斯“First Look”活动期间,三星发表了全新的模块化75英寸4K分辨率Micro LED显示器:The Window。与三星在2018年CES展会上亮相的“The Wall”相比,“The Window”拥有更高密度的芯片、更佳的分辨率,展品一出,惊艳四座,引发业内关注和讨论。当下,Micro LED显示技术处于蓬勃发展阶段,并正往市场应用上靠拢,未来可期。

Micro LED知识讲堂

Micro LED显示的结构是微型化LED阵列。目前,单个Micro LED芯片的尺寸可以做到10μm以下,为常规LED尺寸大小的1%。每一个Micro LED可视为一个像素,每个像素可以实现定址控制、单独驱动自发光。在结构上,Micro LED是一个由P型GaN材料和N型GaN材料相互紧密接触时形成的P-N结面接触型二极管。当在P-N结两侧施加一个正向电压,即对P型GaN一侧施加正压,而对N型GaN一侧施加负压时,就可以使得P-N结两侧的载流子能够容易地相互移动,进而发生电子空穴的辐射复合,产生光出射。MicroLED阵列经由垂直交错的正、负栅状电极连结每一颗MicroLED的正、负极,通过过电极线的依序通电,以扫描方式点亮MicroLED以显示影像。

由于Micro LED芯片特殊的结构特点和发光原理,基于Micro LED芯片的显示屏具有高像素、高色彩饱和度、低功耗、高亮度、快速反应、长寿命等显著优点。在显示质量方面,Micro LED单个芯片大小可至10μm以下,因此Micro LED显示屏可以集成极高的像素密度。根据相关数据显示,目前市场上搭载OLED屏幕的iPhone X像素密度为458ppi,而Micro-LED显示可达到2000ppi以上;在性能方面,Micro LED由无机材料构成,相比于OLED易烧屏的有机发光材料,Micro LED屏的使用寿命会更久;在技术层面,Micro LED显示为单点驱动自发光技术,拥有纳秒(ns)级的超快反应速度和效率。例如在VR行业中的应用,由于Micro LED响应速度极快,可以有效解决拖影、延迟问题,消除VR使用者的晕眩感,可大幅提高沉浸感、提升用户体验;在能耗方面,以P-N结为典型结构的Micro LED有着高亮度、低能耗的特点,能提高可穿戴设备的续航时间。

正是因为具备如此优异的性能,吸引了三星、LG、索尼、京东方、华星等面板厂商积极地进行技术研发储备,Micro LED显示技术正在迅速发展。

Micro LED显示中的关键激光剥离技术

Micro LED显示拥有优越的性能,但是在技术层面还有待突破,其中一项关键技术就是外延衬底的剥离。基于GaN发光材料的Micro LED芯片,由于GaN与蓝宝石晶格失配度较低且价格低廉,所以蓝宝石衬底成为外延生长GaN材料的主流衬底。但是,蓝宝石衬底的不导电性、差导热性影响着Micro LED器件的发光效率;同时,脆性材料蓝宝石不利于Micro LED在柔性显示方向的运用,基于以上原因及Micro LED显示本身分辨率高、亮度高、对比度高等优势特点,激光剥离蓝宝石是必要且关键的环节,且激光剥离技术更能凸显Micro LED的优势。

激光剥离环节实质上是一个单脉冲扫描的过程,因此对激光束的均匀度和稳定性有极高的要求。正是由于对激光技术和工艺稳定性的极高要求,目前全球拥有该项技术并能用于稳定生产的企业不多,现阶段国内以大族激光为唯一用于稳定生产的代表。

激光剥离技术通过利用高能脉冲激光束穿透蓝宝石基板,光子能量介于蓝宝石带隙和GaN带隙之间,对蓝宝石衬底与外延生长的GaN材料的交界面进行均匀扫描;GaN层大量吸收光子能量,并分解形成液态Ga和氮气,则可以实现Al2O3衬底和GaN薄膜或GaN-LED芯片的分离,使得几乎可以在不使用外力的情况下,实现蓝宝石衬底的剥离。

大族显视与半导体从2013年便开始对激光剥离(Laser Lift Off,简称LLO)技术进行研发及技术储备,针对GaN基Micro LED和垂直结构LED晶圆蓝宝石衬底的剥离,成功研发并推出全自动LLO激光剥离设备。

设备采用全固态半导体(DPSS)激光器作为光源,自主研发的266nm波长可用于稳定生产的激光倍频模组,具有稳定周期长、维护成本低的优点;激光光束、功率稳定,激光效率远高于国外的准分子设备,优越的加工性能尤其对于一些特殊的外延衬底(如图形化蓝宝石衬底等)的剥离表现优异;聚焦焦深长达1000μm,对于有翘曲的晶圆,在一定范围内也可保证很稳定的剥离效果;设备稳定性好,可全自动上下料、24小时持续生产,大幅节省人力成本;加工幅面大,可选择性加工2~6寸晶圆,并搭载高精度CCD相机,能精准实现区域剥离;加工效率高,以4寸晶圆为例,单片加工完成只需140秒左右,而传统准分子设备需要300秒以上。优异的性能表现使得设备已在行业内多家光电公司、研究所和高校通过性能验证并稳定运行。

大族自主研发的全自动激光剥离设备

传统LED垂直芯片的激光玻璃后效果

Micro LED激光剥离后效果图

这些年来,大族显视与半导体在LLO激光剥离技术领域内不断积累行业经验、完善技术储备,持续改进并优化工艺,积极进行设备更新换代,使得技术与设备具备核心竞争力;同时,大族显视与半导体还提交了激光剥离技术、设备整机相关的专利申请。

大族显视与半导体对Micro LED其他技术领域也在积极地进行战略布局,对于其发展中遇到的更多技术难题,也可提供对应的解决方案:

1、目前可针对多大单元的Micro LED芯片进行稳定且高良率的激光剥离?大族显视与半导体可针对市场上已经出现的最小单元颗粒为10-15μm的Micro LED进行激光剥离。

2、如何将这些微米级别的LED转移到基板、如何黏接、电路如何驱动?激光剥离后的巨量转移成为目前各个LED厂与面板厂的研发重点,大族显视与半导体致力于Micro LED的相关工艺的研发,目前配合进行的相关的巨量转移方案有激光D-bounding的转移方案与接触式搬运转移方案。

3、Micro LED由于波长一致性差导致LED颜色不均,因此想要做出一整块像现在智能手机大小的Micro LED面板,良品率非常低。针于Micro LED芯片的光学性能、电学性能的检测也是后续的一大难点,目前大族显视与半导体在进行检测方面的技术研发。

Micro LED技术的发展过程还是有诸多瓶颈,但归功于Micro LED的优势与优点,该技术仍然是未来发展的一大亮点。大族显视与半导体作为国产化高端装备领先供应商,始终追随市场需求、走在相关行业应用技术的前列,为企业提供专业激光解决方案。

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