高解析度UVA MicroLED顯示器—未來顯示技術新主流

作者 : 吳孟奇,國立清華大學電子工程研究所教授;閎康科技「科技新航道」專欄

1920×1080高解析度紫外光(UVA)波段微型顯示器(MicroLED)與無光罩微影(lithography)技術之應用

高效率的三族氮化物發光二極體(LED)已被證實可以顯著的改善固態照明(solid-state lighting;SSL),並且正在取代螢光燈泡與其它發光源。隨著可攜式和移動式電子產品的尺寸越來越小,顯示技術也必須轉向更小的元件尺寸和超高的解析度,同時保持高效率與亮度的均勻性以降低功耗。

虛擬實境與擴增實境(VR/AR)是近年美國消費性電子展(CES)的熱門話題,將廣泛運用於影視娛樂、遊戲、教育和醫療等領域。而現有面板技術將難以滿足未來VR/AR需求高解析度、高亮度與低功耗的規格。微型發光二極體(MicroLED)由於具有高亮度且省電,將成為未來顯示技術的主流。

為了實現這些目標,以氮化鎵(GaN)為基底的MicroLED便應運而生,它可以大幅提高亮度、發光效率、高頻響應與壽命。根據2020年的LED Inside報導,迷你發光二極體(MiniLED)的尺寸定義為50-130μm之間,而MicroLED的尺寸為小於50μm;所以MicroLED顯示器製作的最基本要求已不僅止於微小的像素尺寸,還需具備數十萬至數百萬顆高均勻的像素特性。1為目前主流顯示技術與MicroLED的比較。

 

表1:LCD、OLED、MicroLED顯示技術比較。

MicroLED顯示器的發展

MicroLED顯示器的發展主要分為行列選址式(Row-Column-Addressed;RCA)又稱被動式陣列(Passive Matrix;PM)及主動式陣列(Active-Matrix;AM)。

被動式陣列可藉由低開發成本之驅動架構進行圖案顯示控制(採用市售之多位元LED驅動IC如R8A66162SP與微控制器搭配),然而,受限於核心架構體積與圖案速度(作為通訊或激發光源之考量),兼以高密度像素衍生之引/焊線難度,僅適用低像素、中小型陣列(例如128×128陣列以下)。主動式陣列則具高速/同步像素驅動及獨立驅動條件等特點,控制驅動IC (Read-In IC;RIIC)與MicroLED陣列藉由「覆晶」(Flip-Chip)封裝技術鍵合,每一MicroLED陣列像素對應單一IC驅動像素,大幅節省驅動電路封裝及使用空間。

主動式陣列驅動方式,乃是將MicroLED陣列連接在CMOS晶片上面,每一個MicroLED像素對應一個像素‘circuit’,而且每一個MicroLED像素尺寸也要與驅動IC單元尺寸相同。對於固定尺寸的顯示器,例如0.5吋或0.2吋,當MicroLED像素尺寸越小且越多,顯示面板解析度越高,而應用於擴增實境與虛擬實境的MicroLED顯示器,其陣列數動輒1920×1080甚至更高,這樣高解析度的MicroLED顯示器,其製作難度也更高。

清華大學電子工程研究所實驗團隊先前已製作出高性能主動式960×540的藍光MicroLED顯示器,相當於1900ppi (pixels per inch)的解析度,其單顆像素大小為8µm,像素間距為12µm。這種MicroLED顯示器已可應用於智慧型手機、智慧手錶、頭戴式和近眼顯示器以及光遺傳學刺激等。

3200ppi超高解析度UVA MicroLED

高解析度1920×1080 UVA波段主動式MicroLED陣列微型顯示器,帶來達3200ppi的超高解析度,同時成功印證無光罩微影技術的應用可行性。

1920×1080 UVA波段主動式MicroLED是利用在每個像素上鍍上銦作為黏著性金屬,接著藉由覆晶技術與CMOS IC進行接合,這種裝置為白光LED固態照明應用開啟了改進之路,並且有望在高密度數據儲存、化學和生物感測設備、消毒器和微影曝光設備等領域提供廣泛的適用性。

近期以UV光波段作為曝光工具尤為吸引人,以370nm UV光顯示器做為曝光工具,可以將顯示器上的特定圖案直接曝光到光阻上,這種做法可免去使用價格高昂的光罩作為定義圖案的工具;此外,這也提供了一種透過立體微影技術構建三維結構的簡單方法。因此,這樣的設備被認為是更有效的曝光工具,因為它可達到同時曝光和定義圖案的作用。

清華大學電子工程研究所已成功研製出了這種高解析度的微型顯示器,藉由SDK模組成功演示印證了圖像的轉移。此種1920×1080 UVA MicroLED顯示器其可操作率為80.9%,且是目前高畫質(HD)顯示器主流16:9寬高比之高解析度UV MicroLED顯示器的首次展示。最後,透過在顯示器播出特定圖案對光阻做圖像的直接轉移,也成功證明了無光罩微影技術的應用。

自動對準微影技術 加速製程開發的幕後推手

MicroLED陣列基本的製程大多是先定義出高原(mesa)圖形,也就是像素區,然後蝕刻出垂直側壁至n層,接著依序在n層佈上網狀電極、在p層佈上p電極、成長鈍化層,最後成長銦球當bonding金屬。前述每一道製程之前都需要開一道新的黃光,然而受限於學界實驗室contact aligner的機台限制,製作這種結構的MicroLED要做得均勻性高是困難的。首先第一道的圖形因為像素尺寸只有5微米,所以mesa圖案很容易在顯影過程或是去離子水清洗過程漂走;再者,因為曝光機的最小解析線寬只有1微米,而且是手動對準,所以要在mesa間隔只有3微米的走道開出2微米寬度的佈線圖案是極其困難的。

因此,清華大學電子所發展出特殊梯型側壁的MicroLED技術。梯型側壁讓金屬在階梯覆蓋率低的電子束蒸鍍機蒸鍍時,可以自動形成n電極和p電極,此即為自動對準技術。梯型側壁蝕刻技術配合自動對準技術,可以讓黃光道數少了n電極和p電極兩道,不僅加快了製程速度且不再有對準問題。

MicroLED特性全面剖析

1為對1920×1080 UV光MicroLED陣列做單顆元件量測的電特性圖,由左側對數圖我們可以得到在逆偏壓10V時的漏電流為9.48pA;此外,一般我們定義元件的啟動電壓在電流密度22.2A/cm²的大小,而由於單顆元件大小為5μm,經過換算之後可以得到啟動電壓是在4.36μA的電流,因此從右側線性圖可以得知,1920×1080 UV光MicroLED的單顆LED啟動電壓是在3.29伏特(V)的位置。

經過數據分析及比較後發現,MicroLED之漏電流主要是因為乾式蝕刻造成的側壁缺陷所導致,每一顆MicroLED元件所需要的啟動電壓及負偏壓時的漏電流都非常小。

圖1:單顆5μm MicroLED的I-V特性圖(左圖為對數圖,右圖為線性圖)。

2則呈現單顆MicroLED的光特性表現,由圖2左圖可以得知在電流為1mA時的光輸出功率為70.4μW,由圖2右圖則量測得到外部量子效率(EQE)最大值為3.74%,出現在電流密度為153.2A/cm²的位置;而電轉光效率(WPE)最大值為3.61%,出現在電流密度為101.8A/cm²的大小。一般而言,我們希望以上兩種轉換效率最大值出現在電流密度越低的地方,這樣便能以越低的電流去驅動MicroLED元件,達到發光效率的峰值,而上述數據都是可以滿足我們期望的結果。

而在圖2右圖中,我們也量測到峰值波長的移動,這是因為原先在量子井所存在的內建電場會造成能帶的扭曲傾斜,稱為量子限制史塔克效應(QCSE),然而注入電流的增加會在一定程度上屏蔽掉內建電場,削弱史塔克效應,因而產生波長藍移;但隨著電流注入的繼續加大,因為電流擁擠所造成的熱效應會更加顯著,因而產生波長的紅移。

圖2:左圖為單顆MicroLED光輸出功率和光度對電流作圖,右圖為外部量子效率(EQE)及電轉光效率和波長對電流密度作圖。

3為利用電致發光(EL)所得到的光譜圖,是對於同樣單顆元件施加不同電流大小,分別從5μA到1000μA,所得到的波長對發光強度作圖,可以發現UVA (370nm)波段的MicroLED隨著注入電流的增加,其峰值的中心幾乎都保持在370nm附近,而這也與標準的微影製程所使用的i-line (365nm)曝光光源波長十分接近;並且隨著電流的上升,其發光光譜的半高寬也增加得十分緩慢,從10µA的6.1nm到300µA的8.2nm,非常適合單一色光的應用。

然而,值得注意的是,從圖中我們可以發現UVA波段MicroLED在550nm的波段會出現一個較小的缺陷光峰值,其大小約為370nm之強度的千分之一,這是由於氮化鎵材料的磊晶缺陷所造成,因磊晶缺陷而在能隙間產生的缺陷能階會捕捉電子使能隙變小,進而產生肉眼可見的缺陷光。

圖3:單顆5μm MicroLED電致發光(EL)光譜圖,輸入電流從5μA至1000μA。

1920×1080 UVA MicroLED高解析度顯示器的首度演示

由於所使用的覆晶技術的關係,最後做成的顯示器會由背面(藍寶石基板)出光。對全點亮的顯示器再進行量測,得到在100mA的電流下,最大的總體光輸出功率為2.6mW。此外,如前面所述,我們可以看到在全點亮的過程中,可被人眼所捕捉的是550nm波段的缺陷光,大約為綠光。

圖4為LED在與IC覆晶後利用電子顯微鏡所拍攝的照片。目前,晶片製程技術的優化與晶片水平度的提升是我們認為在提高良率上仍可以努力的方向,因為MicroLED的良率在目前與未來的學術界與業界都是一個重要的課題。

圖4:MicroLED在與IC覆晶後利用掃描式電子顯微鏡所拍攝的照片,其中間的黏著金屬即為In。

5是利用1920×1080 UVA MicroLED顯示器接上軟排線與驅動電路板,並與電腦連接便可以播放圖片,此外,它也可以用來播放影片。據我們所知,這是第一個高解析度主動式UVA MicroLED顯示器的演示,其長寬比為16:9,單顆LED元件大小為5μm。

圖5:利用1920×1080 UVA MicroLED顯示器播放圖片,左圖為獵豹,右圖為清華大學校徽。

無光罩微影製程應用推動顯示技術再升級

在無光罩微影製程的演示,我們首先在1920×1080 UVA MicroLED顯示器上以鏡像(mirror writing)文字播放NTHU的字樣,接著在微影目標矽晶圓上旋塗上負光阻,經過軟烤後,將矽晶圓直接以接觸式貼在顯示器上,曝光200秒後再經歷曝後烤以及顯影,便成功在矽晶圓上得到NTHU的圖形。

6所示,可以看到NTHU的字樣成功地被顯影在矽晶圓上。然而從圖形可以發現,對於字樣的線寬與轉角處的銳利程度,與顯示器上是有些許差距的,原因是相比於真正的曝光機台缺少了透鏡的聚焦,造成許多光源在顯示器與矽晶圓間隙中產生散射。

圖6:NTHU的字樣成功被顯影在矽晶圓上。

因此,若是能以標準的微影曝光設備,再加上高解析度UVA MicroLED顯示器作為曝光光源,對未來的微影設備與無光罩製程都是非常具有潛力的。雖然其能夠達到的最小線寬取決於MicroLED元件的大小,但若是可以將MicroLED的尺度持續微縮,在未來的產業界將具有縮減微影製程的成本、提高製程良率及縮短製程時間等顯著的優勢。

UVA MicroLED顯示器將成為高解析度應用的前瞻性技術之一

發光二極體有諸多優點,因此現今的應用已非常廣泛,大至照明、交通號誌、汽車大燈、LCD背光源等,小至微型顯示器及虛擬實境。而微型發光二極體顯示器很可能會是未來的主流顯示技術,對於目前市場需求,應用於擴增實境亦或是智慧眼鏡這類產品對於解析度的要求越來越高,因此我們如何微縮發光二極體尺寸,並得到高解析度的陣列、使其均勻發光、提升良率,這些都是相當重要的。

由清華大學電子工程研究所所成功研製出的高解析度1920×1080 UVA MicroLED顯示器,其單顆LED元件大小為5μm,元件間距為8μm,在對角線為0.69英吋的晶片上,相當於3200ppi的解析度。對MicroLED陣列的單顆元件進行量測可得知此元件的電特性具有理想的啟動電壓、非常小的漏電流等優點;在光特性量測中,也可得到單顆元件較佳的光輸出功率及較高的光電轉換效率。這些優良的特性主要歸功於先進製程的幫助,包括自動對準微影製程及優化的乾式蝕刻技術,這些都體現在高解析度、高ppi的UVA波段顯示器的研製上。

此外,由於UVA能量相較三原色都大,利用此優勢,目前清華大學電子工程研究所也嘗試利用三原色之鈣鈦礦螢光粉,藉由光致激發的方式研製全彩MicroLED顯示器,期待在未來為下一代顯示器製程技術帶來更大的突破。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年1月號雜誌

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