金屬箔上的 microLED

通過轉換到金屬箔上生長的電晶體和LED的單片集成，microLED顯示器的製造可以向前邁出一大步—Vladimir Matias和Julian Osinski， iBeam Materials公司

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每年，數以億計的LED都是通過在藍寶石和矽襯底上生長GaN及其相關合金外延層而製成。但這並不是唯一的選擇。我們在新墨西哥州Santa Fe的iBeam Materials公司，最近演示了也可以在多晶柔性金屬箔上沉積高質量的外延GaN。我們的技術為大面積，低成本，適用於卷對卷製造的GaN基器件生產工藝打開了大門。

我們採用的方法採用了離子束輔助沉積。它用於沉積類單晶的中間層，該中間層形成之後外延氮化物層的基礎。我們與桑迪亞國家實驗室和新墨西哥大學的研究人員合作，利用這項技術通過美國能源部APRA-E資助的項目展示了實用的LED（見圖1）。這項突破性技術的更具有吸引力的一個機會是micrOLED顯示，其中會需要大面積的低成本的LED陣列。製作這些陣列的最常用方法是基於分選和機械轉移。然而，當向更小的LED發展時，分選和轉移這種技術的實現將會有更多的挑戰性。這時採用單片集成方法要好得多，這種方法和我們的技術是相兼容的。

圖1. iBeam Materials的金屬上GaN技術依賴於多晶襯底（例如很長的金屬箔）上形成的類單晶層。該單晶層通過離子束輔助沉積工藝形成。左側顯示層結構，而照片顯示出第一批LED器件。

由於這種顯示技術相對現有顯示技術的顯著優勢，它將佔據LCD和OLED的現有市場份額，並且預計microLED市場未來將是非常巨大的。microLED更亮更高效，因此可以在陽光直射下讀取顯示信息，使用電池的產品在每次充電之間可以使用更長的時間。此外，鑑於無機LED極好的可靠性，使用壽命和堅固性，這些產品將提供更長的顯示壽命。

由於所有這些優勢，基於microLED的顯示將很快取代可穿戴設備，手機和增強現實中的OLED和LCD屏幕。但這只是一個開始：LED註定會繼續在大的顯示應用中取得成功。

製作顯示屏

利用傳統方法製造基於microLED的大面積顯示器，需要使用高良率工藝，從而提供尺寸小於10微米的單個LED晶片的大規模並行轉移。高清顯示器包含1080×1920像素，因此它們需要620萬個紅綠藍子像素。而在4K顯示器中，則有近2500萬個子像素。這些數字如此之大，以至於為了最小化轉移步驟的數量，必須一次轉移數千個LED。

幾家公司正在開發用於並行處理這種大規模LED的技術，其尺寸可以小到3μm。這些方法必須以微米級的精度來轉移晶片，將它們可靠鍵合，並實現極高的良率。即使99.99％也不夠好，因為顯示屏仍然可能包含數千個壞了的子像素。而它們必須修復，因為市場不會容忍新設備中有哪怕一個出故障或缺失的像素。

修復單個像素是一種選擇，但成本會升高，因為這需要額外的轉移步驟。因此，在轉移過程中採用分選冗餘可能更好。然而，這顯著增加了LED成本，並且無法直接解決問題。

相比之下，我們採用的技術可以製造出和紙張一樣薄的柔性產品，解析度為每英寸500像素或更高，滿足市場對將顯示器集成到薄型彎曲設備的巨大需求。利用獲得專利的金屬上GaN技術，我們直接在低成本，大面積的柔性金屬箔上生長了LED品質的InGaN材料，使microLED的單片集成變得切實可行。

這種金屬箔使我們的顯示器能夠與OLED一樣或更好地符合曲面。此外，它們甚至可以在使用時彎曲。適形金屬襯底還為LED提供了反射和散熱（參見圖2）。

圖2. LED橫截面圖，以及20μm的金屬上藍色LED和microLED陣列的發光。

我們的技術與卷對卷工藝兼容，採用新的外延方法取代了MOCVD，這些必將大大降低microLED的製造成本。目前，MOCVD晶圓生產的成本在2-3美元/平方釐米的範圍內，但通過切換到很長的金屬基板上，這個成本可能會下降三倍之多。非MOCVD沉積工藝的引入將會進一步節省成本，我們的成本模型估計每單位面積的外延材料成本降低超過10倍（見圖3）。

圖3. 各種沉積方法的外延GaN器件層的成本曲線

最終，LED成本可降至每平方釐米不到10美分。如此大幅度的成本降低可能使microLED顯示器甚至比基於OLED的顯示器更加便宜。

我們的全彩色有源矩陣顯示器的製造，首先開始於在外延層的表面上單片生成密集的藍色發光LED陣列。每個像素包括三個子像素，通過在藍色發光元件上塗覆量子點下轉換層來形成紅色和綠色單元（參見圖4）。它們可以作為光刻膠基質來實現，或者採用噴墨印表機來實現，這主要取決於所需LED的尺寸。

圖4. 使用iBeam技術製作的microLED顯示單元的布局。

下一步是添加薄膜電晶體電路以尋址每個子像素。我們能夠在圖案化之前，通過在薄板上沉積薄膜材料來繪製現有的製造OLED顯示器的背板技術（參見圖5）。

圖5.子像素橫截面顯示出量子點、變色膜和黑色光刻膠基質。

包括金屬基板的總厚度可小於100μm。為了減少相互幹擾，消除雜散光並實現更好的黑色，LED之間的孔隙可以填充市售的黑色聚合物基質。

們的技術將繼續進步。將來，我們將使用金屬箔上的外延GaN片來製造小的集成的GaN電晶體。這些器件可用於控制LED（參見圖6）。

圖6. 通過在外延結構中集成FET，子像素LED可以與GaN/AlGaN FET電晶體器件集成。

通過採用這種方法，我們將可望追隨矽工業的腳步。其中最著名的就是，從通過分立電晶體的單獨布線製造電路，進化到在單個晶片上有數十億電晶體的高度集成電路的高良率製造。

我們相信，隨著時間的推移，使用我們的技術製造的microLED顯示器的良率和可靠性，將遠遠高於使用晶片轉移方法製造的產品的良率和可靠性。當然，首先為了謹慎起見，在設計中可能要利用一些冗餘，從而可以使得可能的LED失效行為最小化。

當轉向更高解析度的顯示時，我們的技術已經有很好的基礎，由於整個區域不滿了LED的外延，因此可以以更小的附加成本來製造更高解析度的顯示屏。對於我們的單片集成LED顯示技術，成本與面積成比例，而不是像素數。

我們的方法不是唯一能夠提供單片集成的方法。一種替代方案採用了納米線有源區。然而，這依賴於傳統的剛性襯底，例如矽和藍寶石。沿著這條路走下去的話，製造大面積的顯示屏往往需要將LED轉移和鍵合到另外的背板上。

顏色和色域

我們提倡的用於製造我們顯示器的量子點技術正在發展中，今天的薄膜厚度僅為幾微米，幾乎可以完全將藍色光轉換為紅色或綠色光。然而，如果還有顧慮擔心子像素光譜中殘餘任何不需要的藍光，則可以用濾光片或藍光反射片將其去除。

顯示器製造商可以選擇量子點薄膜來實現特定的色點。LED和量子點的窄譜發光，它們的光譜寬度通常分別為20nm和30nm至40nm，能夠實現飽和的色彩，以及比傳統LCD和OLED更寬的色域（見圖7中的更多細節）。

圖7. 針對新產品的三種流行色域標準。推薦709，也稱為sRGB，是目前的HDTV標準。然而，蘋果的iPhone和三星Galaxy等產品已經開始採用數字影院標準DCI-P3，而未來的產品則針對最困難的基於雷射器的推薦2020標準。iBeam技術將能夠超越DCI-P3，並幾乎達到推薦2020而無需採用雷射器。

隨著microLED市場的擴大，需要推出大量額外的LED製造能力，以便製作所需的顯示器。到2026年，一些預測數據顯示20億手機市場中將有15％採用4K的microLED顯示屏。僅此一項每年就需要啟動1200萬片晶圓，這個數字可能與2019年全年所生產的全部LED總數相當。可穿戴設備，電視和其他顯示器格式的數量以及製造規模將遠遠高於這個數字。

我們的低成本，卷對卷能力可以實現這種提升。只需要一個寬幅的卷對卷生產設施就可以實現與今天全球LED外延生產相當的產能。

到2025年後，基於二維平面屏幕的顯示器有望被在三維空間中形成圖像的顯示器所取代（見圖8）。這可以通過在微透鏡陣列上放置發光器陣列（例如microLED）來實現。然而，為了確保光場顯示器具有高解析度，除了大量壓縮數據之外，它還必須擁有數十億的像素，其間距甚至可以小至5μm。

圖8. 顯示器的歷史演變和未來期望。

如此龐大的像素數對於轉移方法來說是不切實際的，但可以通過我們的單片集成技術來加以實現。

簡而言之，我們的技術前景光明，它可以在大面積金屬箔上製造和集成microLED。由於我們的技術具有許多重要特性，可穿戴設備，增強現實設備，移動產品甚至大型顯示器都將受益。這些特徵包括：柔性，輕質的基板，使得顯示器適合曲面，易於集成到各種產品中去；直接發光LED的使用，允許戶外觀看並產生高的動態範圍，寬的色域和深的黑色；由於單片集成和與大規模卷對卷製造技術的兼容，從而成本更低；此外還有光場顯示的潛力，適用於未來的三維展示。

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材料來源：《化合物半導體》

擴展閱讀

United States Patent 9,735,318 B, V. Matias and C. Yung.

V. Matias, Photonics West Presentation, 2018

Yole Développement, 「Are MicroLEDs a credible alternative to LCD and OLED?」 SID Display week business conference, (2018)

G-S. Chen et al. IEEE Phot. Tech. Lett. 30 262 (2018)