LED未來，靠這些技術了？

當一個新技術剛開始出現時，往往會帶來很多希望和很多可能。近期，LED行業又有哪些新技術？未來產業發展，就靠這些技術了？

無透鏡廣角Mini LED封裝技術

根據外媒AZO optics報道，近些年，科學家們已經陸續開發出一些具有高色彩飽和度和長壽命的白色發光二極體 （LED），並開始將其用於柔性照明和顯示技術。另一方面，由於具有顏色可調、柔性、量子效率高、發射光譜窄並支援光致發光等效能優勢，膠體量子點（Colloidal QD）已經成為下一代照明技術的有力競爭者。這兩種技術的結合，在未來可能會取代有機發光二極體（OLED）和液晶顯示器 （LCD）。

圖1。 柔性廣角Mini-LED背光光源（a）關閉狀態；（b）開啟狀態

實現顏色轉換的稀土元素材料

量子點材料的各種效能，有助於進一步降低Micro-LED顯示器的畫素尺寸。

白光LED廣泛用於平面照明等領域，其用作顏色轉換材料的熒光粉通常都含有一些稀土元素 （REEs，Rare Earth Elements）。這是一種不可持續的方案，畢竟從長遠來看，開採和使用稀土元素對經濟和環境來說具有非常大的不利影響。

所以，開發具有高柔性、穩定性和光效的不含稀土元素的色彩轉換材料一直是這個領域的研究課題。近年來，市場上已經出現使用超薄OLED面板來製作柔性燈和柔性顯示器的產品，不過截至目前，這些產品還存在可靠性差和驅動電流高等問題。針對這些問題，研究人員做了相關研究，並顯著提高了量子點的光效、可靠性和顏色可調性。

先前研究人員建議的晶片方案

在這之前，對於一些行動式消費電子產品所需要的柔性、輕薄和輕便需求，一些研究人員曾建議採用藍色或紫色LED晶片搭配膠體量子點膜作為柔性平面光源模組的設計。實際上，基於鈣鈦礦量子點（PQD，Perovskite Quantum Dot）的混合型LED，就具有非常高的色域潛力，非常適合用於顯示背光模組。

封裝量子點顏色轉換器和鈣鈦礦量子點的白光LED，以及具有高色域潛力的高穩定性介孔二氧化矽奈米複合材料，已被廣泛用作顯示器背光源。另外，驅動電流演算法也已廣泛用於Mini-LED顯示器，它可以用來提升顯示器色域和顯示動態範圍。

製造和封裝廣角(WA，Wide Angle)迷你發光二極體(Mini-LED)器件

在這項研究中，研究人員提出了一種搭配量子點膜的廣角Mini-LED封裝技術，可生產一種用於行動式QLED顯示器的柔性超薄平面背光源，相對於其他Mini-LED封裝方案，這種方案可以顯著減少相同區域所需LED數量。

圖2。 廣角Mini-LED封裝方案的6個步驟

這種廣角Mini-LED封裝的基礎是發光波長在450 nm左右的GaN倒裝藍色LED晶片。具體到這項研究中，這些晶片的高度、寬度和長度分別為150um、127um和228。6μm。之所以選擇GaN倒裝晶片藍色LED晶片，原因是它具有低熱阻、無杯殼、能夠承受高電流密度以及無需引線鍵合等優勢。

具體的封裝工藝大體上分六個步驟，包括基板上塗布擴散層、基板上貼附導光膜、微晶片染料鍵合、側壁成型（Molding）、切割和與玻璃分離。

透過上述工藝步驟，研究人員製成了800 x 800 x 580 m3的方形廣角Mini-LED封裝的器件。據介紹，這種方法不僅可以顯著減少所使用LED晶片數量，還賦予了整個光源超薄、柔性和高光效等效能。這些結果也表明，採用這些技術設計的廣角Mini-LED方形封裝為高階QLED 顯示應用提供了非常適合的背光源。

量子點膜的製造

透過將市場上的紅色和綠色量子點與紫外線聚合物相結合，研究人員進一步製作了一種混合量子點膜。接著，他們使用自動刮刀塗布機，將該混合量子點膜進一步塗布在一層用作保護膜的PET薄膜上，最終形成了一種具有三明治狀結構的量子點膜。之後，研究人員將這種具有PET/QD-PMMA/PET結構的量子點薄暴露於365 nm紫外線下30秒以完成固化。為了製造出最終具有ODL/PET/QD-PMMA/PET/ODL結構的成品膜，研究人員最後還需要使用刮刀塗布機將一種光學擴散層 （ODL，Optical Diffusion Layer） 塗布到PET/QD-PMMA/PET 薄膜兩側。

圖3。 鈣鈦礦量子點膜結構

柔性電路板製作

研究人員在一片用環氧樹脂和玻璃纖維（FR4）製成的電路板上排列鍵合了3200顆上述封裝好的廣角Mini-LED。整個背光單元中除了最底側的電路板（含Mini-LED），上方還有上述鈣鈦礦量子點膜和稜鏡等其他光學膜材。這些部品組合在一起後，就構成了一片超薄、平坦且均勻的面光源。這裡，光學膜一層一層地疊放在另一層上，它們之間的間隙很小。

圖4。 使用廣角Mini-LED封裝結構和鈣鈦礦量子點膜方案的背光結構

結論

透過獨特的封裝方式設計，這種廣角Mini-LED的效能得到了極大的提高。與傳統的Mini-LED相比，中心亮度降低到26。5%，不過光取出效率提高到96。1%。與具有相同表面積的未封裝Mini-LED相比，它可以讓發光角度更寬，照明區域更大，單位面積LED顆數更少。這些發現，連同104。2%NTSC的高色域，都表明未來QLED顯示器可能會使用這種背光技術並實現更高的色域。

浙江大學狄大衛教授團隊發光二極體進展

近日，浙江大學光電學院狄大衛教授課題組先後在Nature Communications及Nature Photonics發表其課題組的最新研究文章。《Ultralow-voltage Operation of Light-emitting Diodes》一文創紀錄地發現可以以LED能頻寬度的36-60%超低壓下觀察到發光。《Ultrastable Near-infrared Perovskite Lightemitting Diodes》實現了超高穩定性、高效率（22。8%）的近紅外鈣鈦礦發光二極體（鈣鈦礦LED）。

LED的發展對照明、顯示和資訊產業有著深遠的影響。新興的LED技術的研究倍受關注。LED發光的關鍵機制為電致發光（EL），即在外部電壓下注入的電子和空穴的輻射覆合。有文獻報道III-V 族半導體的 LED 的工作電壓低至標稱帶隙的 77%，這是由於新型量子阱設計增強的輻射覆合。對於OLED，其最小工作電壓約0。5Eg/q，使用TTA工藝來解釋這種低工作電壓仍有爭議，即電致發光的最低驅動電壓到底是多少，以及它們是否基於同一個機理。

研究方法

在這項工作中測試了17種不同型別的LED，首先選擇鈣鈦礦LED，製備了以近紅外發光的碘基材料FPI、NFPI以及綠色發光的溴基材料PCPB的鈣鈦礦LED，這三種LED的最低驅動電壓分別是1。3V、1。3V及1。9V，LED中光子的最高能量分別為1。55eV、1。56eV及2。4eV。這表明三種材料的LED均可在低於帶隙所限制的最小閾值電壓下發光。接下來選擇幾種不同的OLED、QLED以及商業III–V族半導體LED，得到的結論與之前的相似。

圖 1 不同種LED的電致發光強度-電壓的關係。

（a。 近紅外發射FAPBI3（FPI）鈣鈦礦LED；b。近紅外發射NFPI鈣鈦礦LED；c。綠光PCPB鈣鈦礦LED；d。基於Ir（ppy）3的磷光OLED；e。基於4CzlPN的TADF OLED；f。基於F8BT的聚合物OLED；g。基於紅熒烯的熒光小分子OLED；h。基於CdSe/ZnS QDs的II-VI QLED；i。基於 GaAsP 的商用 III-V 無機 LED 。）

研究還發現幾種鈣鈦礦LED驅動電壓的數值從帶隙上方調整到下方時，LED的電致發光EL譜線峰形及峰位都不變。

圖2。 鈣鈦礦LED在高於及低於帶隙所限制閾值電壓下的EL光譜

為解決LED最低驅動電壓到底是多少的問題，他們採用一套能探測到微弱光子訊號的高靈敏度光子探測系統，確定了鈣鈦礦LED的光致發光強度與電壓之間的關係，得出EL 的最小驅動電壓為低於半導體帶隙 50% 的值，並表現出每個光子0。6-1。4eV的表觀能量增益。

圖3。 不同LED在近帶隙和亞帶隙電壓下的光致發光強度-電壓曲線

論文中提到的測試方法中，使用了海洋光學高靈敏度QE Pro光譜儀對LED的發光效能進行表徵。

圖4。 用於測量在亞帶隙電壓下的 EL 光譜的實驗裝置示意圖

與鈣鈦礦太陽能電池類似，鈣鈦礦LED的不穩定性是一重大難題。近年來，鈣鈦礦LED在外量子效率（EQE）方面發展十分迅速，但其在連續工作條件下T50工作壽命（亮度降低到其初始值一半所需時間）一般在10到100小時量級，而實際應用需器件在高EQE、寬輻亮度範圍下實現更長的工作壽命（高於10000小時）。

和III-V族半導體及有機半導體相比，鈣鈦礦在器件工作過程中存在額外的降解通道。電場作用下的離子遷移和鈣鈦礦晶體結構的不穩定性，是影響鈣鈦礦器件穩定性的關鍵問題。解決這些問題，以同時實現長壽命與高效率，是領域的重大挑戰。

研究亮點

作者選取了在高效能太陽能電池與LED均有應用的FAPbI3鈣鈦礦作為基本研究物件，引入雙極性分子SFB10，實現了高效和超穩定的近紅外（~800 nm）鈣鈦礦LED。器件峰值外量子效率（EQE）為22。8%，峰值能量轉化效率（ECE）為20。7%。這些鈣鈦礦LED展現了優異的穩定性，在5 mA/cm2下連續執行超過3600h（5個月）沒有觀察到輻亮度衰減。據加速老化測試獲得，在初始輻亮度（或電流密度）分別為0。21 W/sr/m2 （0。7 mA/cm2）時，預期T50工作壽命為2。4×106h （約270年）。

圖5。 鈣鈦礦LED器件結構和效能

上述資料表明，鈣鈦礦LED可在滿足實際應用的光功率（輻亮度）下穩定工作。作為參考，基於Ir（ppy）3的高效率綠光OLED器件，在1000 cd/m2的高亮度下時對應的輻亮度為2。1 W/sr/m2， 在100 cd/m2的較低亮度下對應的輻亮度為0。21 W/sr/m2。

表1：經SFB10穩定的鈣鈦礦LED壽命資料

為了探索器件高穩定性的原因，作者研究了雙極性分子SFB10對鈣鈦礦薄膜穩定性的影響。結果表明，雙極性分子SFB10提高了鈣鈦礦薄膜的熱穩定性、相穩定性與熒光穩定性。經SFB10穩定劑處理的鈣鈦礦樣品在空氣中放置322 天，仍然維持了具有良好光電活性的α相FAPbI3鈣鈦礦，而對照組樣品在14天內就發生了相變與降解。

圖6：鈣鈦礦樣品結構穩定性和熒光穩定性

圖7：SFB10與鈣鈦礦前驅體化學相互作用表

論文提到的測試方法中，使用海洋光學QE Pro光譜儀進行EQE的J-V曲線測量，使用Maya2000Pro記錄角電致發光強度分佈。

QE Pro Maya2000 Pro 光譜儀

結論

超低驅動電壓的研究為超低壓LED器件的發展以及照明、顯示及通訊行業的發展做出貢獻。超長的器件壽命有望提振鈣鈦礦LED領域的信心，這些近紅外LED可用於近紅外顯示、通訊與生物等應用，為鈣鈦礦發光技術進入產業應用鋪平了道路。

Micro LED生產與製程監控解決方案

Micro LED顯示器適用多種場域，應用從穿戴裝置、車用面板到大型廣告看板，場景從室內延伸到戶外各種應用，是顯示技術未來之星。Micro LED擁有高階顯示器不可或缺的關鍵效能與優勢，如高亮度、高對比、廣色域、低耗能，以及更長使用壽命，相比其他顯示技術都可以勝任未來顯示應用所面臨的挑戰。

而micro LED顯示器未來能否受到市場廣泛採用，主要的挑戰取決於技術成熟和成本降低；提高產能正是為這挑戰提供了學習途徑，這兩者也都是量產（HVM）過渡期所需衡量的關鍵指數。由於整體良率是每一段製程良率的綜效結果，這包括磊晶和microLED圖形化生產良率、背板與驅動器IC生產良率、巨量轉移與晶粒鍵合良率，因此需要每個生產階段皆達成高良率目標，以降低維修時間與晶粒成本。

MicroLED顯示器整體良率即是每一段製程良率的綜效結果

Micro LED顯示器集合上游的晶圓磊晶與晶粒生產，中游的驅動IC設計、生產與封裝，再到下游面板背板生產、晶粒巨量轉移與系統組裝，這樣的供應鏈雖然也有mini LED類似生產經驗，但micro LED的生產製程和傳統LED/mini LED不大一樣，它更接近半導體技術，量產中所面臨的新挑戰，不論是如何提升小晶粒的發光效率（EQE）、主動式玻璃基背板的設計複雜、背板黃光製程次數增加、支援大玻璃基板與<10μm晶粒的巨量轉移，以及生產4K電視所需的轉移速度，都是顯示器業界的全新挑戰，唯有生產與檢測技術創新與相互配合，才能提早解決所有micro LED顯示器生產過程中所面臨的瓶頸，並順利邁向量產（HVM）的里程碑。

針對micro LED顯示器專屬的製程控制裝置不若LCD/OLED供應鏈完備，其中檢測與修補更是如何提升製程良率的關鍵步驟，不論製程解決方案供應商、半導體裝置商與電子供應鏈，應充分合作扮演關鍵的推手，產業界共同期望國際大廠能對上、中、下游進行優勢整合，並同時提出端對端的解決方案。

KLA公司因應這樣的需求，針對MicroLED提出全方位LED生產與製程監控的解決方案，其中涉及多個製程階段，包括磊晶製程、micro LED圖形化、驅動IC生產、顯示背板及巨量轉移，並以資料分析串聯檢測資料流，貢獻整個micro LED製造的良率提升— 從磊晶到最終micro LED顯示器，我們經過市場驗證的製程與製程監控裝置，旨在滿足獨特又嚴苛的micro LED生產流程所面臨的各種新挑戰，並能加速提升廣泛應用市場所需的產能，協助客戶達成高良率目標。

LED晶圓成膜與蝕刻

我們來探討micro LED晶粒製程的挑戰，其中有三個製程影響良率至深，KLA致力於這三個關鍵製程解決方案，首先，LED mesa製程需要乾淨且蝕刻一致性高的裝置，尤其是當晶圓尺寸放大、晶粒密度變高，且增加高品質側壁保護層以滿足發光效率，如此一來蝕刻均勻度的挑戰就不容小覷，KLA透過穩定的低損傷mesa電漿蝕刻，維持micro LED小晶粒的高良率，並同時達到降低成本的目標。

LED晶圓成膜與蝕刻

其次，為micro LED晶粒轉移前做準備，選擇性蝕刻犧牲層是一大挑戰，KLA在這關鍵製成投入十餘年氣相HF 研發，透過定向性氣相HF 製程對氧化物進行幹蝕刻，不但可以維持蝕刻品質的穩定度，並使各式microLED從藍寶石晶圓轉移到下一站製程，例如暫存基板COC（Chip on Carrier）或顯示背板，變得更加容易、可行。

最後，為實現micro LED發光波長與亮度水平的均勻性，抗反射塗層和其他介電層需要具有非常高的晶圓內與晶圓間厚度和成分均勻性。因此，KLA在該領域對負責介電薄膜的典型PECVD沉積製程做了很多開發，以達到最終micro LED均勻度的要求。

LED晶圓製程監控

從Micro LED製造過程控制的角度來看，再次強調KLA所研究的關鍵挑戰領域，當晶粒逐漸變小到<10μm時，無塵室與機臺潔淨度設計、檢測靈敏度便成為驅動良率的重要因素。首先，為了製造出高品質的micro LED，micro LED元件在高品質的基板與磊晶製程中生產。這導致需要大量發展MOCVD製程檢測，包括對裸晶圓的高靈敏度、高檢測速度，以及使用人工智慧對想要避免的特定磊晶缺陷進行分類。

LED晶圓製程監控

這允許回饋到磊晶製程本身，以改進該製程品質，並向前回饋篩選出磊晶缺陷所導致的缺陷晶粒。其次，我們必須說製造micro LED晶粒製程與傳統LED製程相比，需要使用相當高的靈敏度水平上進行缺陷檢測，然後將這些檢測結果再次回饋到巨量轉移製程，以允許面板製造商僅使用已知的KGD（Known Good Die）組裝顯示器。

最後，正如我們談到的micro LED需要具備非常高的發光波長與亮度均勻度，我們需要對每顆LED的薄膜厚度、關鍵尺寸（Critical Dimension）與對位精度（Overlay）進行晶圓級的量測，以監控制程的變異性，在我們的下一段巨量轉移製程中，僅對那些非常非常均勻的Micro LED晶粒進行轉移。

顯示背板製程監控與良率提升

現在切換到背板生產需求，需要提供高品質的背板來進行巨量轉移microLED晶粒。首先，我們發現micro LED用的背板往往具有相當長的比對間距，且畫素圖案不具重複性，這給背板的檢查帶來了極大的衝擊，從過去我們習慣使用的畫素到畫素比對（pixel to pixel）的演演算法，升級到晶片到晶片比對（die to die）的演演算法，這樣極需高速計算能力（HPC）來進行完整的影像處理，以滿足更復雜背板設計所需要的缺陷檢出靈敏度。

顯示背板製程監控與良率提升

其次，與過去的背板設計相比，KLA發現micro LED背板需要更多的電晶體與電容元件來做為補償電路，如此才能呈現高品質畫面。為了達到micro LED顯示器的動態切換和畫素均勻性要求，這意味著背板電測需要完整測試電路的功能性，判定顯示畫素亮度的均勻性，並檢出任何沒有作動的畫素。

巨量轉移製程監控

最後，我們擁有測試過的高品質micro LED晶粒，以及高品質的背板。當然，在micro LED晶粒和IC轉移後，我們也需要確認最終顯示器的功能。首先是巨量轉移量測，KLA發現為了實現並回饋巨量轉移製程，以及監控與改善製程所需要的資料，必需測量每一顆LED晶粒和IC晶片的X/Y偏移，以及旋轉角度。這種在背板上進行大規模測量，與前端邏輯和記憶體晶片的動態測量非常相似，也就是回饋前端步進曝光機做校正計算，這與使用大量測量來進行巨量轉移的動態監控非常相似。

巨量轉移製程監控

其次，需要確保巨量轉移後缺陷率低，透過光學檢查來確保轉移的LED晶粒和IC晶片在巨量轉移製程後不會遺失、損壞或變形，並回饋檢測結果以進行必要的維修。最後在進行切割大面板前，需要進行電致發光測試（EL），以確認終端面板電性與發光功能、亮度和均勻度都受到良好的控制。

文章來源：GDLED編輯整理

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