彩色的芯片级microLED显示
2020/5/6 13:09:14
针对富铟InGaN量子阱外延晶圆的图案化，可以制造出单片全彩的显示器件。
Hoi Wai Choi, Wai Yuen Fu, Hao Lyu, 香港大学
III族氮化物家族为我们提供了许多出色的器件。由于有了这种材料体系，我们才有了：用于固态照明的蓝光LED；紫色激光器成为蓝光数据存储系统的核心器件；以及非常适合大功率和高频应用的HEMT。接下来会是什么呢？很有可能是microLED显示。
之所以有很大的可能性，是因为GaN LED已用于大型户外彩色显示器，通过毫米尺寸的红色、绿色和蓝色LED�？樽樽岸迪�。这些模块的尺寸太大，使得难以减小面板的整体尺寸，或者进一步减小像素之间的间距。但是，如果能够做到这一点的话，这些器件将可以瞄准室内显示的巨大市场。这其中就包括电视和监视器，目前这些还主要基于LCD面板。为了在这个市场上有竞争力，每个像素的尺寸必须等于或者甚至小于100μm。这就进入了microLED的领域。
基于microLED的电视具有广阔的前景。原型已经有了，例如索尼在CES2012上展出的55英寸Crystal-LED，以及在CES2019上成为亮点的三星电视墙（The Wall）。这种基于LED的技术，其优点在于它是可自行发光的显示屏，因此不同于基于液晶的显示器，它不需要背光源。通过选择性关闭microLED像素，这种显示屏还可以实现更好的黑色，这是获得极高对比度的关键。这是和OLED显示屏一样的共有的特征。但是，microLED的开关速度更快，成本更低，功耗更低，并且从长远来看有望更加可靠。
原型投入生产表明，microLED显示屏的市场化已经近在眼前。但是，鉴于尚未就如何构建它们达成共识，因此可能也并非一定如此。通常，红色、绿色和蓝色的microLED首先通过晶圆级制造实现，之后使用几种技术之一将其转移到显示屏底板上。其中最流行的两种是“拾放”和“巨量转移”。
采用这种方法生产显示屏非常麻烦，因为必须转移大量的红色、绿色和蓝色LED才能形成显示器。全高清显示屏需要600万个LED芯片，而制作4k显示屏则需要这个数量的四倍。这些数字与1990年代后期的Pentium III微处理器上的晶体管数量相当，是非常庞大的数字。但是，有一个关键的区别：微处理器是使用IC技术构建的，那些晶体管是使用CMOS工艺单片集成到单个芯片中的。
组装数百万个单独的LED，进而制造微型显示屏带来了许多的挑战。目标产品必须满足良率，产量，放置精度，性能均匀性和制造效率。这些要求对于手持设备的高分辨率显示器而言，尤其具有挑战性，因为microLED的尺寸仅为几个微米尺度。
制造microLED显示屏最困难的要求之一，就是以经济有效的方式消除像素坏点。乍一看，其99.99％的转移良率已经非常好了，但这仍然相当于4k显示屏上超过2000个坏点。这是完全无法接受的，当前的LCD显示屏几乎是零像素坏点。人们正在开发识别和替换坏点的技术，但这会增加制造成本，从而降低了microLED在竞争激烈的显示器市场上获得成功的机会。此外，巨量转移工艺给出了LED管芯尺寸的下限，这最终将限制微型显示器的分辨率。
所有这些问题，都凸显了需要完全不同的生产工艺，也就是基于使用IC技术制造高分辨率GaN基microLED显示屏。采用这种方法，将允许在单个晶圆上批量制造大量的器件和复杂的电路，从而显著降低成本，并提高良率和可靠性。正如硅集成电路产业的成功所说明了一切。
如果研究人员今天采用这种方法，他们可以借鉴1990年代末期microLED显示屏的开发经验。当时，几个研究小组开发了GaN microLED和microLED显示屏。这些团队通过形成微米级LED元件的单片阵列来制造发光的微型显示器，其像素可以单独寻址，也可以通过矩阵寻址。由于是单片的，所以这种微型显示器全部是单色的显示器。
当时，单色微型显示器可能已经能够被很好地接受了，因为那个时代的移动电话通常也都是单色LCD显示屏。但现在这就是完全不同的了。实际上，消费者不仅在追求彩色显示器，而且是在追求具有宽色域，高对比度，快速响应时间和高亮度的高质量显示器。由于许多屏幕都安装在移动手持设备上，因此在低功耗方面也有要求。
为此，我们香港大学的团队正在为此努力。我们已经基于异构集成开发了各种技术，可以提供全彩显示。我们的想法之一是将红色，绿色和蓝色的微型显示芯片彼此堆叠，以形成全彩色的微型显示器（参见图1（a））；我们的另一个设想是使用例如喷墨印刷的方法，在单色单片微显示屏中选择性地覆盖像素（参见图1（b））。但是，这两种设计都需要复杂的制造工艺。因此，它们仅比巨量转移方法更可行一点点。
为了实现全彩色单片显示，最大的挑战是集成来自单个晶圆的多色发光器件。使用各种“自下而上”生长技术，已经有晶圆级多色发光的零星报告出现。它们包括在同一晶圆内生长不同颜色发光的多组多量子阱，以及以不同尺寸或在不同晶面上生长出各种颜色的纳米结构。
我们尝试从相反的方向来解决这些制造问题，采用“自上而下”的方法。我们的起点是常规的蓝宝石平面GaN-LED晶片，它与常规的晶圆工艺流程相兼容。在此基础上，我们实现了能够产生光谱移动的纳米结构。这使我们能够生成与多量子阱发光不同的颜色。最终，它使我们能够制造出红色，绿色和蓝色发光器件，而这些发光器件是单片集成到同一芯片或晶圆之上的。
我们起始的原生LED晶圆产生的是单色发光，因为多量子阱结构在整个晶圆上是均匀的，并且这些阱的发光波长不可调节。但是，由于在 C面蓝宝石上生长的InGaN/GaN阱的高度应变特性，有可能来进行带隙的调节。这些层状结构的生长过程中存在着晶格失配和热失配，从而引起量子限制的斯塔克效应，这在提供较长波长发光的富铟量子阱中尤为普遍。通过缩小单个发光器件的尺寸，通过应变松弛可以使发光蓝移。这可以带来巨大的变化空间：通过形成尺寸小于100 nm的纳米结构发光器件，我们产生了超过100 nm的光谱蓝移。
我们的策略是通过对富铟、发红光的InGaN量子阱LED晶圆进行图形化，从而形成微型的红色，绿色和蓝色像素。红色像素不进行结构化，因此它们以晶圆生长的波长来发光。同时，通过形成密集堆积的蚀刻纳米结构阵列，以此来提供应变弛豫，从而实现绿色和蓝色像素。对于发蓝光的结构，其尺寸大约比发绿光的同类尺寸小一个数量级（参见图1（c））。为了加快原型加工速度，我们使用选择性纳米球光刻技术对绿色和蓝色像素进行了图形化。这涉及采用旋涂或喷墨印刷，将二氧化硅纳米球沉积到光刻定义好的光刻胶孔上。晶圆级加工是有可能实现的，这需要采用纳米压印光刻技术。
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图1. 全色microLED显示器方案示意图:（a）堆叠红色，绿色和蓝色microLED阵列,（b）在单色蓝色microLED上进行选择性荧光粉涂敷（例如喷墨印刷方式），形成红色和绿色像素阵列,（c）在同一芯片上单片集成红色，绿色和蓝色像素。
我们采用通过二氧化硅纳米球的干法蚀刻，来形成我们的纳米结构。这种方法可以制作出纳米柱，随后使用旋涂玻璃将其钝化和平面化。这些柱子中的量子阱经历了应变弛豫，从而使得可以实现短得多的发光波长。通过以矩阵可寻址形式互连红色，绿色和蓝色像素，我们能够实现晶圆级构建全色的microLED显示（图2（a）和（b））。这种方法对尺寸的大小没有任何限制。
图2. 在同一GaN基LED晶圆上单片集成的红、绿和蓝LED原型的（a）平面图（b）等距图照片（c）从器件上获得的相应电致发光光谱。
通过绘制我们晶圆的发光光谱，可以看到由蓝色，绿色和红色像素分别产生的在487nm，516nm和667nm处的三个发光峰（见图2（c））。单片集成的红色，绿色和蓝色发光器件的成功演示，充分展示和验证了我们用于全色microLED显示芯片规模制造方法的可行性。
我们还使用类似的方法开发了无荧光粉白光LED。我们没有将红色，绿色和蓝色发光器件组合为单个像素，而是将它们随机分布在LED的发光区域中，从而来实现白光源（参见图3）。通过形成不需要荧光粉的白光，该光源避免了使用荧光粉涂层，这些涂层也是影响当今LED灯泡效率和寿命的因素之一。
图3.（a）无荧光粉白光InGaN LED的照片（b）相应的电致发光光谱。
当然，我们所提出的方法并非没有缺点。当今的富铟InGaN外延晶圆只有很低的量子效率，从而严重制约了器件的性能。但是，我们认为，未来几年，其效率会有所提高。这将支持基于单片方法的全色microLED显示器的成功商业化，单片方法有望显著提高良率并缩短工艺时间。
我们开发的单片集成技术还可以服务于很多其他的应用。例如，它可以用于片上通信的GaN光子平台，在该平台上，以多种波长工作的高速microLED和光电探测器可以大大提高数据速率。使用先进的多路复用方法，可以将其推动到更高的速率。microLED及其相应的单片集成平台的开发所带来的众多功能和性能增强，带来了诸如此类的机会，这让我们感到非常的兴奋。
扩展阅读
1. H. W. Choi et al. IEEE Electron Device Letters 25 277 (2004)
2. “Semiconductor color-tunable broadband light sources and full-color microdisplays”, PCT Patent 2010/037274
3. “Method of making white light LEDs and continuously color tunable LEDs”, China Patent 101496188
4. C. Feng et al. ACS Photonics 3 1294 (2016)
5. “White nanoLED Without Requiring Color Conversion”, US Patent 9,401,453
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