SCIENCE CHINA|面向超高像素密度TFT基Micro-LED全彩顯示應用的激光巨量轉移技術(shù)

　　Micro-LED顯示技術(shù)是一種將尺寸微縮化的半導體發(fā)光二極管(LED)以矩陣形式高密度地集成在一個(gè)芯片上的顯示技術(shù)，是LED芯片與平板顯示制造的交叉學(xué)科應用技術(shù)。相較于LCD與和OLED顯示技術(shù)，除了產(chǎn)業(yè)鏈成熟度與制造成本，Micro-LED顯示技術(shù)在亮度、響應速度、功耗、透明度、穩定性等方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢，被廣泛認為是下一代主流顯示技術(shù)。如何實(shí)現效率、精度、良率兼具的巨量轉移集成是學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的關(guān)鍵核心問(wèn)題之一。在百舸爭流的眾多轉移技術(shù)中，激光巨量轉移技術(shù)逐步脫穎而出，承載著(zhù)Micro-LED產(chǎn)業(yè)化征程的期盼。

　　近日，廈門(mén)大學(xué) 、廈門(mén)市未來(lái)顯示技術(shù)研究院 和天馬微電子 組成的聯(lián)合研發(fā)團隊在SCIENCE CHINA Information Sciences 雜志發(fā)表了題為“Super retina TFT based full color microLED display via laser mass transfer ”的研究論文。論文深入探討了面向超高像素密度TFT基Micro-LED全彩顯示應用的激光巨量轉移集成關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并對激光剝離、激光轉移修復、面板鍵合等制程所面臨的工藝、裝備及材料的挑戰進(jìn)行了系統分析。團隊創(chuàng )新性提出了 提升轉移效率與良率的新方法和新技術(shù)，在業(yè)內首次成功制造出 像素密度高達403PPI 的超視網(wǎng)膜顯示TFT基Micro-LED全彩屏，標志著(zhù)Micro-LED顯示技術(shù)的一項重大突破。

　　研究創(chuàng )新點(diǎn)一：基于激光勻化光斑輻照方案，實(shí)現圖形化襯底GaN基Micro-LED芯片的高質(zhì)量襯底剝離。

　　當前，采用266 nm波長(cháng)的半導體泵浦固體激光(DPSS激光)對圖形化襯底(PSS)GaN基Micro-LED進(jìn)行激光剝離(LLO)時(shí)，存在工藝窗口小，芯片易出現斷裂、邊緣破損等問(wèn)題。針對這一問(wèn)題，團隊使用光子追蹤法模擬了PSS和GaN界面的能量分布，進(jìn)而提出激光勻化光斑輻照方案，實(shí)現圖形化襯底GaN基Micro-LED芯片的高質(zhì)量襯底剝離，良率超過(guò)99%。

圖2 Micro-LED FCoC芯片的光學(xué)顯微鏡下圖像：（a）藍光，（b）綠光和（c）紅光；放大后的Micro-LED芯片共聚焦激光掃描顯微鏡圖像：（d）藍光，（e）綠光和（f）紅光

　　研究創(chuàng )新點(diǎn)二：提出了激光巨量轉移多因子關(guān)聯(lián)決策方案，通過(guò)對轉移材料物理特性、激光輻照能量、芯片輻照損傷等因子綜合評價(jià)，顯著(zhù)提升激光巨量轉移的效率、精度與良率。

　　針對超高像素密度Micro-LED全彩顯示屏對芯片激光巨量轉移定位精度與良率的嚴苛要求，團隊提出一種激光巨量轉移過(guò)程的多因子關(guān)聯(lián)決策方案，如圖3所示。包括：1)基于激光與轉移膠相互作用模式，對轉移膠類(lèi)型選擇進(jìn)行綜合評判;2)激光能量范圍與轉移膠厚度關(guān)聯(lián)調控，確保在無(wú)損傷情況下實(shí)現芯片的高精度、高良率轉移;3)采用自動(dòng)光學(xué)檢測(AOI)/PL檢測定位，對不良芯片進(jìn)行原位修復。

　　圖3 激光巨量轉移多因子關(guān)聯(lián)決策方案

　　根據上述決策方案，團隊對轉移材料物理特性、激光輻照能量、芯片輻照損傷等影響因子進(jìn)行了綜合評估與優(yōu)化，顯著(zhù)提升激光巨量轉移的效率、精度與良率，轉移效率達36kk/h，其中藍和綠光芯片一次轉移良率達99.87%，紅光芯片一次轉移良率達99.76%。進(jìn)一步采用266nm激光進(jìn)行修復，修復后良率達99.999%。

圖4（a）GB-ACoC部分芯片排列的SEM圖像（側視圖）；（b）GB-ACoC芯片的光學(xué)顯微鏡圖像；（c）與（b）圖同視場(chǎng)下芯片PL顯微鏡圖像；（d）R-ACoC部分芯片排列的SEM圖像（側視圖）；（e）R-ACoC芯片的光學(xué)顯微鏡圖像；（f）與（e）圖同視場(chǎng)下芯片PL顯微鏡圖像

　　基于以上創(chuàng )新技術(shù)，團隊利用激光巨量轉移方法，首次成功制造出分辨率高達403PPI的超視網(wǎng)膜顯示TFT基Micro-LED全彩屏。

　　圖5 在完成激光巨量轉移集成后，像素密度為403 PPI的Micro-LED顯示屏分別以

　　（a）藍色，（b）綠色和（c）紅色畫(huà)面點(diǎn)亮的照片；（d）完成模組封裝后的顯示屏，實(shí)現了全彩顯示效果；插圖顯示了該顯示屏中子像素排列情況

　　廈門(mén)大學(xué)與廈門(mén)市未來(lái)顯示技術(shù)研究院的楊旭高級工程師 與李金釵教授 為第一作者，黃凱教授 與中國科學(xué)院院士張榮教授 為通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、福建省自然科學(xué)基金、廈門(mén)市科技計劃等項目的資助。研發(fā)團隊將持續在Micro-LED材料外延、器件開(kāi)發(fā)與轉移集成等領(lǐng)域開(kāi)展技術(shù)深耕，加強產(chǎn)學(xué)研深度融合，促進(jìn)行業(yè)快速發(fā)展。