Micro LED綜述文章學習筆記(二)


參考文獻:Micro-light-emitting diodes with quantum dots in display technology

  顯示器是由大量µ-LED單元構成一個有序的陣列並被轉移到接收底板基板上,而后異質集成到光電系統中。µ-LED顯示器的組裝過程基於兩種技術:巨量轉移技術和單片集成技術。

1.單片集成技術

  單片集成是將µ-LED芯片與用於顯示器組裝的背板直接鍵合。與巨量轉移方法相比,該技術可以實現更小的µ LED像素間距(最小極限取決於生長基板上的間距)。但是,由於受到晶圓尺寸的嚴格限制,單片集成主要用於構建小尺寸(<2英寸)的顯示器,

  面板對角線小於2英寸的高分辨率µ-LED顯示器稱為“ µ-LED微型顯示器” 。 µ-LED微型顯示器旨在滿足主要需要小面板和高亮度的應用,例如透明眼鏡,緊湊型手持投影儀和增強現實/混合現實設備。對於高亮度微型顯示器,巨量轉移技術無法滿足µ-LED小於20μm小像素間距的要求。取而代之的是,用於微型顯示器的µ-LED的縮放比例利用了µ-LED芯片與芯片級硅背板的直接集成。為了實現具有高分辨率的微型顯示器,在藍寶石上以所需的小間距制造µ-LED,並與兼容該間距的有源矩陣驅動電路集成在一起。集成技術涉及將每個單獨的µ-LED像素電連接到有源矩陣的相應焊盤。對齊和組裝是這兩個獨立零件集成的重要因素。已經研究了各種集成技術,包括金屬布線,芯片焊接,微管粘接和粘合劑粘接(圖7)。諸如布線之類的常規集成技術很簡單,但受限於低分辨率和電線易碎性。 Jiang及其同事使用倒裝芯片鍵合技術以15μm的間距進行顯示應用。倒裝芯片鍵合由於可靠的集成和高成品率而是有利的,但與10μm或更小的像素間距不兼容。布線和倒裝芯片鍵合都需要熱量,超聲波振動或壓力來幫助集成,由於襯底(藍寶石和硅)的熱膨脹系數不同,從而導致器件損壞和熱失配。 Templier等人已經證明了使用微管技術集成像素間距為10μm的異構器件。在電路的焊盤上創建微管,然后在對齊后將其插入µ-LED焊盤。這種室溫操作克服了基板熱失配的限制。所得顯示器的亮度高達1×107 cd / m2。另一方面,粘合劑粘結通常使用各向異性導電膜(ACF)通過熱壓工藝進行集成。 ACF可以在µ-LED和底部電極之間產生牢固的附着力和相互連接,使其適合於柔性顯示器。盡管μ-LED在微顯示器中的集成已經取得了重大進展,但是集成的可擴展性仍然是商業化的挑戰。

2.巨量轉移技術

  巨量轉移技術是將µ-LED分離為單個晶粒,將其拾取並從源晶圓基板轉移到目標基板。這種方法允許µLED的空間分布,並用於制造從2到70英寸的大型顯示器(例如電視,智能電話,可穿戴顯示器,虛擬現實設備和平板電腦)。如果能實現一次以低成本高速度傳輸超過10,000 µ-LED,將是未來大尺寸µ-LED顯示屏的最佳解決方案,

  巨量轉移技術目前包括彈性體拾取,靜電轉移,電磁轉移,激光輔助轉移和流體自組裝,如下圖:

 (1)微印章轉移技術

  2004年,羅傑斯(Rogers)的小組最初構思並開發了彈性體印章微轉移印刷(μTP)技術,其中通過利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的范德華力(PDMS)59,60通過彈性體印章轉移設備。該方法通過控制彈性體印模向微型設備陣列的附着/脫離速率來依靠動力學控制的可切換粘合力。來自X-Celeprint的Bower等人基於彈性體印章μTP,可將20μm間距的µ-LED陣列轉移到200μm間距的玻璃基板上。 µ-LED單芯片是通過帶有拾取頭的彈性體印章從密集的原始陣列中稀疏地拾取,然后將芯片精確地放置在分散陣列中的目標基板上。可以重復多次傳輸以填充完整的顯示器,從而成功演示了10×10mm2彩色顯示器。

  對於連續轉印,Choi等人報告了用於大規模µ-LED的輥轉移彈性體印刷工藝顯示。 µ-LED顯示器和單晶Si TFT的疊層對齊轉移可以在聚合物襯底上集成異質器件。可拉伸有源矩陣(AM)顯示器可在40%的伸長率下穩定運行,這為制造可靠的可拉伸µ-LED顯示器提供了一條有希望的途徑。

(2)靜電轉移

  Bibl等人在2013年開發了一種靜電轉移方法,利用電壓誘導的粘附力轉移µ-LED。轉移頭包括在台面結構上方的一對硅電極。在使轉移頭與微器件接觸之后,將正電壓施加到轉移頭中的電極上,從而在微器件上產生抓力,以將器件從母基板上提起。通過向轉印頭的另一個電極施加負電壓,將脫落的µ-LED釋放到接收基板上。盡管此技術對於同時傳輸大量µ-LED非常有效,但高電壓可能會導致LED擊穿。因此,在靜電轉移期間必須仔細控制電壓。

  2016年,Wu等人報告了一種電磁轉移方法,該方法通過改變轉移頭和μLED上的鐵磁層之間的磁引力來拾取並釋放μ-LED。此過程包括用電磁傳輸頭從母晶圓上分離µ-LED,並施加電信號產生磁引力,然后將µ-LED轉移到接收基板。每個元件的單獨磁引力控制可實現選擇性的大規模µ-LED傳輸,而無需任何壓縮過程。

(3)激光轉移技術

  Holmes等首次報道了使用激光在1998年將離散的微零件轉移和放置到接收基板上。但是,直到2012年,當Marinov等人將激光輔助轉移轉移到顯示器制造時,才引起人們的廣泛關注。 al.開發了這種技術,用於在光反應膜上進行激光輻照時選擇性地對µ-LED進行構圖。 µ-LED的釋放過程受動態釋放層在激光照射下的熱機械響應的驅動。使用激光成功地轉移了50×50×6μm的μLED,在超過100M單位/ h69的高轉移速率下,平均放置誤差為1.8μm。高精度和快速傳輸特性使該方法在µ-LED商業化中起着關鍵作用。

(4)流體自組裝技術

  Sasaki等人在2017年展示了用於μ-LED大規模並行組裝的流體自組裝方法。在所提出的方法中,μ-LED懸浮在流體(異丙醇,丙酮或蒸餾水)中,流過發光基板。在頂部表面設計了孔。由於重力和毛細作用力,微型設備被驅動在整個基板表面上移動,直到它們被捕獲在孔中為止。在流動過程中,可以實現精確的定位和組裝,每小時的傳輸速度超過5000萬個單位。

(5)總結

  表3總結了上述轉移技術。典型的彈性體沖壓技術可以以99.99%的高轉移率處理µ-LED,而每小時處理速度通常為10,000至25,000個設備61,62。這意味着組裝由2500萬個µ-LED組成的4K顯示器需要花費一個多月的時間。輥轉移彈性體印刷可能是解決慢速問題的有希望的解決方案。但是,印章變形問題損害了彈性體的印章技術,導致控制不佳和套准不准確。靜電和電磁轉移技術可以實現大規模的µ-LED轉移,但是由於施加高壓,它們可能會導致LED擊穿,並分別需要附加的鐵磁層。激光輔助的轉印技術可以達到每小時約1億次的速度,放置誤差為1.8 µm,但轉印率卻很低,僅為90%。流體自組裝以低成本實現了每小時5600萬的高傳輸率,但由於現代顯示器幾乎不能容忍整個屏幕上的缺陷像素,因此它的制造仍需要進一步改進。為了獲得µ-LED顯示器的完美圖像,一些小組建議對死像素進行單獨的芯片更換,另一種方法是將雙µ-LED轉移到每個顯示像素中作為缺陷備用。這些方法將是耗時的或高成本的方法,因此對於商業目的而言是不足夠的。

 


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