Micro LED顯示中的關鍵激光剝離技術

來源:大族激光顯視與半導體    關鍵詞:激光剝離技術, 激光技術, 激光顯示,    發布時間:2019-11-05

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2019年美國拉斯維加斯“First Look”活動期間,三星發表了全新的模塊化75英寸4K分辨率Micro LED顯示器:The Window。與三星在2018年CES展會上亮相的“The Wall”相比,“The Window”擁有更高密度的芯片、更佳的分辨率,展品一出,驚艷四座,引發業內關注和討論。當下,Micro LED顯示技術處于蓬勃發展階段,并正往市場應用上靠攏,未來可期。


 

Micro LED知識講堂

Micro LED顯示的結構是微型化LED陣列。目前,單個Micro LED芯片的尺寸可以做到10μm以下,為常規LED尺寸大小的1%。每一個Micro LED可視為一個像素,每個像素可以實現定址控制、單獨驅動自發光。在結構上,Micro LED是一個由P型GaN材料和N型GaN材料相互緊密接觸時形成的P-N結面接觸型二極管。當在P-N結兩側施加一個正向電壓,即對P型GaN一側施加正壓,而對N型GaN一側施加負壓時,就可以使得P-N結兩側的載流子能夠容易地相互移動,進而發生電子空穴的輻射復合,產生光出射。MicroLED陣列經由垂直交錯的正、負柵狀電極連結每一顆MicroLED的正、負極,通過過電極線的依序通電,以掃描方式點亮MicroLED以顯示影像。

由于Micro LED芯片特殊的結構特點和發光原理,基于Micro LED芯片的顯示屏具有高像素、高色彩飽和度、低功耗、高亮度、快速反應、長壽命等顯著優點。在顯示質量方面,Micro LED單個芯片大小可至10μm以下,因此Micro LED顯示屏可以集成極高的像素密度。根據相關數據顯示,目前市場上搭載OLED屏幕的iPhone X像素密度為458ppi,而Micro-LED顯示可達到2000ppi以上;在性能方面,Micro LED由無機材料構成,相比于OLED易燒屏的有機發光材料,Micro LED屏的使用壽命會更久;在技術層面,Micro LED顯示為單點驅動自發光技術,擁有納秒(ns)級的超快反應速度和效率。例如在VR行業中的應用,由于Micro LED響應速度極快,可以有效解決拖影、延遲問題,消除VR使用者的暈眩感,可大幅提高沉浸感、提升用戶體驗;在能耗方面,以P-N結為典型結構的Micro LED有著高亮度、低能耗的特點,能提高可穿戴設備的續航時間。

正是因為具備如此優異的性能,吸引了三星、LG、索尼、京東方、華星等面板廠商積極地進行技術研發儲備,Micro LED顯示技術正在迅速發展。

Micro LED顯示中的關鍵激光剝離技術

Micro LED顯示擁有優越的性能,但是在技術層面還有待突破,其中一項關鍵技術就是外延襯底的剝離。基于GaN發光材料的Micro LED芯片,由于GaN與藍寶石晶格失配度較低且價格低廉,所以藍寶石襯底成為外延生長GaN材料的主流襯底。但是,藍寶石襯底的不導電性、差導熱性影響著Micro LED器件的發光效率;同時,脆性材料藍寶石不利于Micro LED在柔性顯示方向的運用,基于以上原因及Micro LED顯示本身分辨率高、亮度高、對比度高等優勢特點,激光剝離藍寶石是必要且關鍵的環節,且激光剝離技術更能凸顯Micro LED的優勢。

激光剝離環節實質上是一個單脈沖掃描的過程,因此對激光束的均勻度和穩定性有極高的要求。正是由于對激光技術和工藝穩定性的極高要求,目前全球擁有該項技術并能用于穩定生產的企業不多,現階段國內以大族激光為唯一用于穩定生產的代表。

激光剝離技術通過利用高能脈沖激光束穿透藍寶石基板,光子能量介于藍寶石帶隙和GaN帶隙之間,對藍寶石襯底與外延生長的GaN材料的交界面進行均勻掃描;GaN層大量吸收光子能量,并分解形成液態Ga和氮氣,則可以實現Al2O3襯底和GaN薄膜或GaN-LED芯片的分離,使得幾乎可以在不使用外力的情況下,實現藍寶石襯底的剝離。

大族顯視與半導體從2013年便開始對激光剝離(Laser Lift Off,簡稱LLO)技術進行研發及技術儲備,針對GaN基Micro LED和垂直結構LED晶圓藍寶石襯底的剝離,成功研發并推出全自動LLO激光剝離設備。

設備采用全固態半導體(DPSS)激光器作為光源,自主研發的266nm波長可用于穩定生產的激光倍頻模組,具有穩定周期長、維護成本低的優點;激光光束、功率穩定,激光效率遠高于國外的準分子設備,優越的加工性能尤其對于一些特殊的外延襯底(如圖形化藍寶石襯底等)的剝離表現優異;聚焦焦深長達1000μm,對于有翹曲的晶圓,在一定范圍內也可保證很穩定的剝離效果;設備穩定性好,可全自動上下料、24小時持續生產,大幅節省人力成本;加工幅面大,可選擇性加工2~6寸晶圓,并搭載高精度CCD相機,能精準實現區域剝離;加工效率高,以4寸晶圓為例,單片加工完成只需140秒左右,而傳統準分子設備需要300秒以上。優異的性能表現使得設備已在行業內多家光電公司、研究所和高校通過性能驗證并穩定運行。

大族自主研發的全自動激光剝離設備

傳統LED垂直芯片的激光玻璃后效果

Micro LED激光剝離后效果圖

這些年來,大族顯視與半導體在LLO激光剝離技術領域內不斷積累行業經驗、完善技術儲備,持續改進并優化工藝,積極進行設備更新換代,使得技術與設備具備核心競爭力;同時,大族顯視與半導體還提交了激光剝離技術、設備整機相關的專利申請。

大族顯視與半導體對Micro LED其他技術領域也在積極地進行戰略布局,對于其發展中遇到的更多技術難題,也可提供對應的解決方案:

1、目前可針對多大單元的Micro LED芯片進行穩定且高良率的激光剝離?大族顯視與半導體可針對市場上已經出現的最小單元顆粒為10-15μm的Micro LED進行激光剝離。

2、如何將這些微米級別的LED轉移到基板、如何黏接、電路如何驅動?激光剝離后的巨量轉移成為目前各個LED廠與面板廠的研發重點,大族顯視與半導體致力于Micro LED的相關工藝的研發,目前配合進行的相關的巨量轉移方案有激光D-bounding的轉移方案與接觸式搬運轉移方案。

3、Micro LED由于波長一致性差導致LED顏色不均,因此想要做出一整塊像現在智能手機大小的Micro LED面板,良品率非常低。針于Micro LED芯片的光學性能、電學性能的檢測也是后續的一大難點,目前大族顯視與半導體在進行檢測方面的技術研發。

Micro LED技術的發展過程還是有諸多瓶頸,但歸功于Micro LED的優勢與優點,該技術仍然是未來發展的一大亮點。大族顯視與半導體作為國產化高端裝備領先供應商,始終追隨市場需求、走在相關行業應用技術的前列,為企業提供專業激光解決方案。

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