重大突破：面向超高像素密度TFT基Micro-LED全彩顯示應(yīng)用的激光巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)

    Micro-LED顯示技術(shù)是一種將尺寸微縮化的半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)速度、功耗、透明度、穩(wěn)定性等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，被廣泛認(rèn)為是下一代主流顯示技術(shù)。如何實(shí)現(xiàn)效率、精度、良率兼具的巨量轉(zhuǎn)移集成是學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的關(guān)鍵核心問題之一。在百舸爭(zhēng)流的眾多轉(zhuǎn)移技術(shù)中，激光巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)逐步脫穎而出，承載著Micro-LED產(chǎn)業(yè)化征程的期盼。

    近日，廈門大學(xué)、廈門市未來顯示技術(shù)研究院和天馬微電子組成的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(yīng)用的激光巨量轉(zhuǎn)移集成關(guān)鍵技術(shù)問題，并對(duì)激光剝離、激光轉(zhuǎn)移修復(fù)、面板鍵合等制程所面臨的工藝、裝備及材料的挑戰(zhàn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了提升轉(zhuǎn)移效率與良率的新方法和新技術(shù)，在業(yè)內(nèi)首次成功制造出像素密度高達(dá)403PPI的超視網(wǎng)膜顯示TFT基Micro-LED全彩屏，標(biāo)志著Micro-LED顯示技術(shù)的一項(xiàng)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(xiàn)圖形化襯底GaN基Micro-LED芯片的高質(zhì)量襯底剝離。

    當(dāng)前，采用266 nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體泵浦固體激光（DPSS激光）對(duì)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(xiàn)斷裂、邊緣破損等問題。針對(duì)這一問題，團(tuán)隊(duì)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(xiàn)圖形化襯底GaN基Micro-LED芯片的高質(zhì)量襯底剝離，良率超過99%。

圖2 Micro-LED FCoC芯片的光學(xué)顯微鏡下圖像：（a）藍(lán)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(lán)光，（e）綠光和（f）紅光

    研究創(chuàng)新點(diǎn)二：提出了激光巨量轉(zhuǎn)移多因子關(guān)聯(lián)決策方案，通過對(duì)轉(zhuǎn)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(píng)價(jià)，顯著提升激光巨量轉(zhuǎn)移的效率、精度與良率。

    針對(duì)超高像素密度Micro-LED全彩顯示屏對(duì)芯片激光巨量轉(zhuǎn)移定位精度與良率的嚴(yán)苛要求，團(tuán)隊(duì)提出一種激光巨量轉(zhuǎn)移過程的多因子關(guān)聯(lián)決策方案，如圖3所示。包括：1）基于激光與轉(zhuǎn)移膠相互作用模式，對(duì)轉(zhuǎn)移膠類型選擇進(jìn)行綜合評(píng)判；2）激光能量范圍與轉(zhuǎn)移膠厚度關(guān)聯(lián)調(diào)控，確保在無損傷情況下實(shí)現(xiàn)芯片的高精度、高良率轉(zhuǎn)移；3）采用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）/PL檢測(cè)定位，對(duì)不良芯片進(jìn)行原位修復(fù)。

圖3 激光巨量轉(zhuǎn)移多因子關(guān)聯(lián)決策方案

    根據(jù)上述決策方案，團(tuán)隊(duì)對(duì)轉(zhuǎn)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(píng)估與優(yōu)化，顯著提升激光巨量轉(zhuǎn)移的效率、精度與良率，轉(zhuǎn)移效率達(dá)36kk/h，其中藍(lán)和綠光芯片一次轉(zhuǎn)移良率達(dá)99.87%，紅光芯片一次轉(zhuǎn)移良率達(dá)99.76%。進(jìn)一步采用266nm激光進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后良率達(dá)99.999%。

    圖4（a）GB-ACoC部分芯片排列的SEM圖像（側(cè)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(cè)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(tuán)隊(duì)利用激光巨量轉(zhuǎn)移方法，首次成功制造出分辨率高達(dá)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(zhuǎn)移集成后，像素密度為403 PPI的Micro-LED顯示屏分別以

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

    廈門大學(xué)與廈門市未來顯示技術(shù)研究院的楊旭高級(jí)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(jì)劃、福建省自然科學(xué)基金、廈門市科技計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。研發(fā)團(tuán)隊(duì)將持續(xù)在Micro-LED材料外延、器件開發(fā)與轉(zhuǎn)移集成等領(lǐng)域開展技術(shù)深耕，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研深度融合，促進(jìn)行業(yè)快速發(fā)展。