Feb. %2021VI 32 No. 1
2021年2月
第32卷第1期照明工程学报
ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO
陈佳昕，李梦梅，郭伟玲
（北京工业大学光电子技术教育部重点实验室，北京100020）
摘 要：Micro LED 微显示技术是将传统LED 薄膜化、微小化和矩阵化，像素点距离从毫米级降至微米级，并在一
个芯片上高度集成的固体自发光显示技术，因其低功耗、响应快、寿命长、发光效率高等特点，被视为一种独特
的显示面板技术。本文主要介绍了 Micro LED 微显示芯片的制备技术，包括芯片结构设计、制备技术优
化、光电集
成芯片制备技术、巨量转移技术，最后介绍了芯片小型化效应$
关键词：微显示；芯片制备；光电集成；芯片小型化效应
中图分类号：TN383 +. 1 文献标识码：A DOI ： 10. 3969/j. issn. 1004-440X. 2021. 01. 003
Fabrication Technology of Micro LED Microdisplay Chip
CHEN Jiaxin , LI Mengmci , GUO Weiling
(Optoelectrooics Technology Lab. Ministry of Educatioo , Beijing Universit) of Technology , Beijing 100020 , China)Abstract : Micro LED is a solid spontaneous light display technolocy with high integration on a single chip. It is traditionai LED with thin-filmed , miniaturized and matrixized transformation . N s pixei distance decreases from millimeter levvi to micron levvi. Due to the low powos censumption, Ost response , long liOc , high light efficiency, it is re-arded as a unique display panel technology. This paper mainly introduces the preparation tvchnolocy of Micro LED display chip , including chip structure design , preparation technology optimization ,
photoelectric integrated chip preparation technolocy, mass Wansfvr technolocy. At last, the eVvct of chip miniaturization is introduced.
Key words ： micre-diplay & chip preparation & photoelectric integration ； chip miniaturization eVvct
引言
led 作为发光器件，在生活中扮演着重要的角
。在照明领域，LED 照明节约了大量能源$在显 示领域，液晶显示器（LCD ）、有机发光二极管
（OLED ）和微发光二极管（Micro LED ）等显示技
术，为人们提供了优质的显示面板，尤其是近年来 迅速发展的Micro LED 显示技术，作为一种独特的 显示器，可以应用于智能眼镜、AR/VR 、头戴式显
示器（HMDs ）和抬头显示器（HUDs ）等［1］领域,
受到业界内的广泛关注$与传统的LCD 和OLED 相 比，Micro LED 具有低功耗、高亮度、响应时间短
和使用寿命长等优点［2,3］ $
Mirce LED 微显示芯片制备技术是显示应用的 基础，国内外有大量人员进行了 Micro LED 芯片制 备技术的研究［7 ］$ 2012年,Guilhabert 等［10］采用
完全无掩膜工艺流程制备了 99%填充因子、520 nm 发射波长、32 X32的Micro LED 阵列，该阵列展示
出良好的光学和电学性能，最大输出光功率2 mW ,
20 mA 下输出电压为4. 3 V $ 2017年,Xie 等［11］采用
共P 电极，单独可寻址N 电极的结构制备Micro LED 阵列，使得该阵列与基于NMOS 晶体管的驱动
电路兼容，可以获得高达450 MHz 的调制带宽$ 2019年,Chen 等［12］制造了有源矩阵高分辨率960 X
540的Micro LED 阵列，像素大小为8 “m ，像素间
基金项目：国家科技重大专项（批准号：2017YFB0403102）
第32卷第1期陈佳昕等：Micro LED 微显示芯片制备技术13
距为12.8 “m ，这是首次展示16： 9高分辨率的显示 屏。同年,Geum (13 ］采用垂直 和表面钝化的
方
超高分 Micro LED ，利用分布式布
拉格反射器(DBRs )作为
调制
现象。
本文主要介绍基于Micro LED 结构的微显示芯 中的关键技术，
随着像素分 的提高,
对 尺寸变小而产生的小型化效应$
1 Micro LED 微显示芯片结构
1.1
倒装结构 Micro LED
传统的Micro LED 芯片是正装结构，用蓝宝石 ，上面
。由于
的导热性
较差， 有源区产生的热量不能及时的释放,
而且
从有源区发岀的部分光
线［14,15］$
, 的 很差，因，
只 的
， 因素 影响了器件的
。鉴于, 了 Micro LED 的倒装结构$ 2011年,An 等［16］
了 GaN 基 结构
Micro LED 阵列,80 X60的 Micro LED 的像素大小 为35 “m ，像素间距为50 “m ，在
的过程中,Micro LED 芯片通过Au-Au 键合的方式粘
接在 上$ 2018年，HORHG 等［17］ 了带有
密码
3. 6 “m 薄外延层和水平电极的倒装红光Micro LED , 结构如图1所示，当注入电流为5 mA 时,LED 正 向电压为1- 8 V ，输出功率1.9 mW ，外量子效率达 19%，该结构证实了 结构具有发光
大,
, 点$ 2020 年,
［18］
采用 的方式进行设计，结构如图3所
示，实现Micro LED 显示屏的分辨率为640 X 360 ,
像素间距为19.2 “m ，发光点直径为10 “m ，像素
密度高达1 323 $
图1带有薄外延层和水平电极的倒装红光Micro LED 结构
Fio. 1 Flip red Micro LED structure with thin epitaxid
layer and horizontal electrode
1. 2 垂直结构 Micro LED
Micro LED 垂直结构是指两个电极在LED 结构
的异侧，以图形化电极和p 型GaN 作为第二电极, 得电流全部垂直流 $ 2019年，Xu 等［19］提 了 高 效 直 /nGaN Mcro8LED 的 方
, 离 入到N 型GaN 中来创建高
, 电隔离区域，制备了直径10 “m 、像素 25 X 25的Micro LED 阵列，如图3所示。采用该结构
的输出光功率密度在3.06 kA/cm 2时为43 W/cm 2，并
且由于有效的离 和较低的结温，Micro
LED 阵列的发光
得到大幅提高$ 2020年，Guo
等［20］研究了垂直结构Moro LED 在 基板上的晶
级集成，使用SU-8光刻胶作为垂直LED 的绝缘
，如图4所示，从而提高光提取效率，并减
像素间的光串扰，所制备的Micro LED 尺寸为
14 “m X28 “m , 正向电 3 V 时电流 6 “A , 且
反向漏电流在-5 V 时为30 pA ，在玻璃上的单 ：
成技术将在未来的高性能和低成本的
早上好图片 新版2020手机显示器中 用$
|卜金风
In 凸点
(b> CMOS 芯片
Si 衬底(CMOS 1C)
蓝宝石
—
u-GaN
爆竹声中一岁除春风送暖入屠苏n»G;iN
MQW
•a) Micro LED 芯片图2 Micro LED 芯片和CMOS 芯片结构示意图
F c 2%M cro8LED rhcp and CMOS rhcp
siouriuoedca.oam
14照明工程学报2021年2月
(n)結构(b)氟离子注入后横截由示意图
图3 垂直结构的InGaN Mice LED
Fig. 3 InGaN Mice LED with vertical structure
图4玻璃基板上垂直Mice LED 结构和聚焦离子束图片
Fig. 4 Picture of vertical Mice LED structure and
ooeused con beam on .easssubsteate
2 Micro LED 芯片制备及优化
2.1光电集成芯片制备技术
Mice LED 与场效应晶体管单
成可以避
免主动驱动的Moe LED 由于 技术带来的
良率下 ，并且 有低功耗、高 、高势(212016 年，Tsuchiyama 等(22) 晶
片键合技术制备Si/StO/GaN 结构，并在顶层P 型Si
上制备NMOS ，通过金属铝将漏极与Mice LED 的N 电极相连，将Mice LED 与MOSFET 串联集成，如图
很冷5所示，该结构最大光响应频率可以达到10 MHz ，当
电压为3 V 时，峰值 效率为6.7%。同年，香
港科技大学刘纪美小组[23] LED 与垂直结构增强型
MOSFET 集成在一起，VMOSFET 通过导电氮化稼与
LED 连接，不 额外的金属互联，减小了寄生电 阻，器件结构如图6所示，最终LED-VMOSFET 的开
启电压为2.8 V ，当J d 为12V ,J s =10V 时，光输出
功率可以达到240 mW/cm 2。
SiO 2 p>Si(100)
SiO 2 p-GaN n-GaN
':c ・plane sapphire sub
( a) Micro LED 与NMOS 集成器件剖面图<b>趾微镜下点亮Micro LED 与NMOS 集成芯片
图5 Mice LED 与NMOS 的单片集成
Fig. 5 Mice LED monolithic integration with NMOS
,g _ s
min
■Current Spregjir^ Layer
n-GaN i-GaN G04
Sapphire
(b)显微镜F 点亮LED 与VMOSFET 集成芯片
<a) LED 与VMOSFET 集成器件剖面图
图6 LED 与VMOSFET 的单片集成
Fig. 6 LED monolithic inteeration with VMOSFET
足 一
5o a
N
P
第32卷第1期陈佳昕等：Micro LED 微显示芯片制备技术15
2.2芯片巨量转移技术
某种高精度设备将大量Micro
LED 晶粒 基 者电路上$ 的难点在于如何将良率提升到99.999 9% ，且每颗芯
片的精准度必须控制在正负0.5 !m 以内，这是商 化和
的关键$
2018年,Cho 等（24 ］提出一种高产量的流体自 组装技术，如图7所示，通过简单的振动运动把
上低熔点的 和
上低熔点的 电极在热组装液中组合，组装液中加入了 F108表面活 剂，对 上电极表面进行修饰，并且提高了 熔融合金的润湿性，最后在1 min 内实现19 663
个（243行81列）直径为45 ^m Micro LED 的精
准
，
99.90% $同年3月，
Optovate ［25］ 专利，
p-LLO 工 用准分子激
光在 晶圆的生 面处照亮稀疏分离的裸
大小的氮化稼 $
照射 生稼金属
和氮气， 气 型LED 烧蚀到接收器工 基板上。该工
处理GaN 晶片之间
的变化，包括生长缺陷、颜和正向电压$ p-LLO 的
光学寻址功 晶圆上的预 特性
数据编码为Micro LED 提取因素，并用于播种和回填Micro LED 背板，以优化量产$2.3芯片制备技术优化
2019年，郭伟玲等［26 ］在制备被动驱动Micro
LED 阵列的深隔离槽时，进行两步刻蚀来减小隔离
槽的坡度，如图8所示， P 电极“爬升”更容
易，易断裂的P ：
增加。此外，采用二
次淀积的方法将SCO 淀积在N
玉米蛇上，作为P 电极和N 电极之间的隔离层。首先 用PECVD 在
300T 下淀积SCO 绝缘层，然后
旋转一定角
度，继续进行SCO 的淀积［27］，最终 所 的厚 度，大大降低SCO 中针孔 的概率并提高绝缘层 的密度$ 2020年，HUANG 等［28］采用ALD （原子层 沉积）对Micro LED 制备过程中的钝化层进行淀积， 相比于PECVD 技术，制备的Micro LED 在尺寸为
50 ^m ，电压为-4 V 时，漏电流降低7.8倍，非辐
射复 低9% $此外，为了最大限度地增加光 ，
Assembly Element
Molten Alloy - 二 y*
2
$«O1 Alloy
Au
Sapphire
图7流体自组装机构示意图
Fig. 7 Schematic diagram of fuid self-assembly mechanism
P-Line
N>Llae
叫02
MQW
P-Pad
Sapphire
口 口
（n ）采用标准工艺器件结构的截面图
□ □
口
P-Linc
Two-strp Etch N-Lfac
MQW
Sapphire
N-Pad
（c ）器件结构俯视图
（b＞釆用攻进丄艺（两步干法刻蚀〉褂件结构的截血图
图8 被动驱动Micro LED 截面图和俯视图
Fig. 8 Cross section and top view of the passive driven Micro
LED
16照明工程学报2021年2月
将P 型和N 型金属触点 于台面区域外，结构如图 9 所示$图9 采用ALD 或PECVD 作为钝化层Micro LED 结构图
F c 9%S iou riu oe d ca . oam 8oMcro8LED uscn.ALD
8oPECVD aspasscaaicn aaeeo
3芯片小型化效应
Micro LED 芯片的尺寸小于100 “m 时，其小型
化效应对串联电阻、功 度、光谱位移、结温、应力的影响很大$因此对 小型化效应的研究显得
十分必要$ 2016年,0114x 0等［29］以及2017年Gong
［30］研究均发现尺寸较小的Mme LED 提供更高的 电流密度和亮度，
h2k归因于更有效的电
流扩展，和更 管理的结构, ,Olmme 等［29］
还发现不同Micro LED 尺寸下电流密度和亮度随外
加电压的变化，随着尺寸降低，P 电极与P 型GaN 触面积减小，
联电阻增加，如图10所示$
2011年，Ryu 等［31］研究表明，电流拥挤强烈影响 GaN 基LED 在高电流密度下的性能，因为电流主要 集中在N 型GaN 层的台阶边缘，
载流子分布不
均匀$
2017年，Olmmr 等［32］研究了芯片小型化效应对
辐射和非辐射复合的关系， LED 的尺寸对
Shockley-Read-Hal i Recombination 影响很大，对俄歇
复合几乎没有影响，研究表明随着尺寸的减小，最 大
效率变小，如图11 ( a )所示， 于
4 5 6 7 8
电压/V
(a)不同尺寸下电压与电流密麼关系
GU-PFO-)/««
O
图10 不同LED 尺寸下电流密度和亮度变化
Fc ..10%Chan.escn ru o enidenscieand boc.hine s undeodc o eoeniLED scees
o o o O
8 6 4 2(a)电流密度和外鈕子效率关系
£*較
J q x w
尺寸/gm
(b)最大外気子效率和峰值电流密度随尺寸变化
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图11外量子效率和尺寸关系
Fig. 11 External quantum efficiency and size
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