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Micro LED显示外延技術面临哪些挑战？

发布者：聯誠發 时间：2022-11-24 11:44 浏览量：1942

进入到人工智能和大数据时代，显示器件不再是简单的信息显示屏，而是具备可互动、高逼真和沉浸式的信息交互终端，对显示器件提出了可实现空间三维影像、可交互、节能、轻薄、柔性可折叠卷曲、超大尺寸等要求。显示产业从材料、装备、器件到制造技術等整个技術和产业链正进入一次全新的革命。Micro-LED顯示技術应运而生。随着产业链玩家不断加码布局，谁能破解新赛道”密匙“打开技術的先河，至关重要。


什麽是Micro-LED？


Micro-LED显示技術是一种自发光显示技術，通过将阵列化的微米级LED发光器件（μLED）集成在有源寻址驱动基板上，以实现单独控制和点亮，从而输出显示图像。Micro-LED顯示具有自发光、高分辨率、低响应时间、高集成度、高可靠性等诸多优点，且体积小、灵活性高、易于拆解与合并，能够应用于现有从小尺寸到大尺寸的任何显示应用场合中，且在很多应用场景下，Micro-LED顯示比液晶显示（LCD）和有机发光二极管显示（OLED）能发挥出更优异的显示效果。


Micro-LED顯示外延技術挑战


尽管Micro-LED顯示技術正迅速发展，但由于LED从照明应用向显示应用的转变，使其对LED外延方面提出了更高的要求和挑战。


(1) 衬底材料的选择


衬底材料的选择以及外延技術对于Micro-LED器件的性能有着至关重要的影响。由于Micro-LED芯片较传统芯片微缩至小于５0μｍ，其极高的良率、均匀性要求对于衬底的选择和外延技術提出了更高的要求与挑战。应用于高分辨显示时，Micro-LED的注入电流密度非常低，由缺陷所导致的非辐射复合尤为突出，大大降低了Micro-LED的光输出效率，因此对于Micro-LED则需要更低缺陷密度的外延片。


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表1不同襯底的晶格常數、熱膨脹系數、熱導率、熔點及相對GaN材料的晶格失配度和熱失配度


目前可商用化大规模运用的衬底包括蓝宝石、SiC和Si等衬底，但是以这些衬底作为GaN外延为异质外延，其由于异质衬底与GaN外延层晶格失配和热失配，使外延层的位错密度较高。相比较于蓝宝石、SiC和Si等异质衬底，选用GaN材料作为衬底，可以大大提高外延片的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命、发光效率和器件工作电流密度。但是，制备GaN单晶衬底非常困难，GaN衬底的价格十分昂贵，且最大尺寸只有４英寸（10.16 cm），因此难以满足商用化的需求。


(2) 波长均匀性控制


Micro-LED顯示技術是一种自发光显示技術。高分辨显示应用中，Micro-LED的发射波长不均匀所导致的显色差别会极大影响显示效果。为保证显示效果，Micro-LED外延片单片波长变化标准差需要控制在0.8 nm或更小。因此在金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长InGaN/GaN量子阱过程中，气流和温度均匀性的控制尤为重要。


优化MOCVD外延生长过程中气流均匀性对LED波长均匀性的提升起着至关重要的作用。目前最新国产的中微MOCVD设备Prismo UniMax通过采用分区控温技術，保证在外延生长时整个温场平衡，同时利用MO源及气流均匀性等一系列应变调控技術，从而提升LED外延片波长均匀性以满足Micro-LED顯示需求。针对Micro-LED应用对波长均匀性的高要求，可以优化石墨托盘设计，使其具有一定曲率在外延生长过程中更加匹配外延片翘曲已取得对温度均匀性控制的进一步提升。


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图2（a）中微Prismo UniMax分区控温 （b）蓝光LED外延片PL Mapping


(3) 缺陷控制


位错作为非辐射复合中心和漏电通道会显著影响芯片Micro-LED性能。由于Micro-LED尺寸。⑷氲缌髅芏鹊停涔獾缧阅芏晕淮砻芏仁置舾小Ｄ壳埃夹位牡准夹g、缓冲层技術等更多地被应用于蓝宝石或硅衬底GaN的异质外延生长，用以降低位错密度提高晶体质量。高质量GaN衬底的同质外延技術可以有效降低LED外延外延片的位错密度。


南昌大学团队通过在硅衬底上优化AlN缓冲层及超晶格插入层过滤位错技術，提高硅衬底LED外延层质量。其外延结构和外量子效率变化曲线如图３(a)、（b）所示。通过此方法将发光波长551 nm LED外量子效率(EQE) 提高到了37.7%（4A/cm2）。继续通过利用缺陷引入V形坑大大提高In组分改善晶体质量，V形坑使得有源区由传统的平面结构变成立体结构，除原有竖直方向p-n结外引入了水平方向p-n结，协调两者可控制载流子输运路径以及复合位置，从而提高LED性能。图３(c) 给出了典型V形坑截面图以及V形坑附近载流子的运输路径和重组位置。


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圖３（a）帶有位錯過濾層的LED外延層結構圖；(b)外量子效率變化曲線；（c）典型V形坑截面圖，V形坑附近載流子的運輸路徑和重組位置圖。


從普通LED照明到Mini-LED顯示,再到Micro-LED顯示，芯片尺寸不断缩小，所带来的困难也不断增加。Micro-LED不仅需要在外延技術上突破，并且MOCVD设备的更新换代也同样重要。目前Micro-LED受制于成本及良率，展望未来，Micro-LED大规模商业化依然任重道远。


來源：兆馳半導體

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