CEA-Leti将在Micro LED上使用独特的“微管”技术
CEA-Leti光学和光子部门光子器件研究总监兼战略营销经理FrançoisTemplier 于10月5 日在纽约哥伦比亚大学举办的研讨会上发表了题为“GaN Micro LEDs用于高亮度显微镜和大尺寸显示”的演讲。除了他在Leti的职责外，Templier博士还是SID法国分会的主任。他的大部分演讲都是关于Micro显示屏，而不是大面积显示器。
FrançoisTemplier博士在哥伦比亚讨论混合GaN Micro显示屏（图片来源：M。Brennesholtz）
Leti是一家成立于1967年的技术研究机构，目前是CEA Tech的三个部门之一。CEA Tech是一家法国研究机构，与比利时的IMEC，德国的Fraunhofer或台湾的ITRI非常相似，专门与工业公司合作开展最先进的研究项目。Leti专注于Micro技术和纳米技术以及它们与系统的集成。Leti的1900名科学家中，约有200人参与了光电子系统，例如基于GaN的Micro LED显示屏。
Templier表示，与OLED相比，Micro LED相对于OLED小尺寸显示屏的优势之一是Micro LED可以实现更高的亮度。他说，这种亮度的增加对于虚拟现实（VR）头戴式显示器（HMD）尤为重要。他还提到，一些其他应用中，Micro LED可能比OLED更好，包括汽车平视显示屏（HUD）和虚拟现实（VR）HMD。由于其高能效，在阳光直射下，基于Micro LED的小尺寸显示屏也可以是需要可见的小型电池供电的直视显示屏的良好解决方案，例如智能手表显示屏。
Templier博士和Leti博士专注于Micro LED技术，其中包括从GaN晶片的Micro LED阵列从GaN衬底一起转移到硅衬底。我们之前已经报告了这一情况并报告了来自Leti 的Gen 2 单色蓝色WVGA（873 x 500）Micro显示屏，间距为10μm。这是由2017年SID上发表的论文中所示的过程产生的，并且具有有源矩阵CMOS背板。在他在哥伦比亚大学的演讲中，他详细介绍了转移过程的确切运作方式。
采用微管的倒装芯片装配工艺（图片来源：Leti）
Templier博士表示，采用经典的hybridization技术，即带有铟凸点的倒装芯片，存在约15μm的间距限制。对于大多数商业Micro显示应用而言，这实际上并不是一个足够好的pitch，需要另一种解决方案。Leti解决这个问题的方法叫做微管（microtubes）方法。他说，采用微管技术的Micro显示屏，间距为10μm，目前Leti在往5μm间距努力。
左：（a）4μm（b）2μm和（c）星形微管；中：一系列微管；右：单个微管的剖面图。（图片来自Leti）
微管制造工艺（图片来自：Leti）
Templier说，微管是用光刻工艺形成的，如图所示。微管在硅衬底上由诸如钨的硬质材料制成。在具有Micro LED的倒装芯片GaN晶片上，焊盘由相对柔软的材料制成，例如铟或铝。当两个基板在室温下压在一起时，微管将自身嵌入垫中。这形成了CMOS硅阵列和微LED之间的机械和电连接。将微管嵌入垫中所需的力是每个连接件几毫牛顿。
来自Gen 1微管显示器（10μm间距，300 x 252阵列）的蓝色和绿色Micro LED的表征（图片来源：Leti）
该图显示了Leti使用10μm间距微管hybrid工艺和1级连接硅电路背板实现的Gen 1蓝色和绿色GaN Micro LED显示器的亮度。Templier博士表示，他们的Gen 2演示装置也有10μm间距，但使用的是873 x 500（WVGA）CMOS有源矩阵背板，蓝色单位（440nm）产生300 cd /m²而绿色单位（515nm） ）产生10,000 cd /m²。
OLED生产小尺寸显示屏实现的像素间距与Micro LED显示屏相比（图片来自：Leti）
Templier博士表示，Micro LED显示的一个主要挑战，无论是来自Leti还是其他研究小组，都是像素间距。原型Micro LED显示屏通常具有大约10μm左右的像素间距。相比之下，来自各种供应商的市售OLED小尺寸显示器产品目前实现了小于5μm的像素间距。
Micro LED的外部量子效率（EQE）问题已经减少，但Leti没有彻底消除（图片来源：SID 2018 Paper 59-4）
这种Micro LED间距问题不仅仅是封装问题。随着Micro LED变小，它们的效率降低。Leti正在研究这个问题，并在Templier博士和他的同事在2018年SID的受邀论文中记录了这一改进。使用旧工艺，10μm的Micro LED的EQE约为5.5％，而采用新工艺时，EQE更接近到10％。这仍然低于大颗（500μm）LED新工艺实现的12％，尽管与使用大颗LED的旧工艺实现的10％EQE大致相同。但问题不仅仅是制造问题，而是一个基本的边缘效应。由于更小尺寸的Micro LED相对于普通尺寸Micro LED有更多的相对优势，因此该像素尺寸与效率问题永远不会完全消失。
Micro LED显示的主要挑战以及Leti如何解决这些挑战（图片来源：Leti）
Leti的另一个挑战是全彩色Micro显示器的问题。很少有客户想为他们AR或VR HMD或其汽车HUD使用单色蓝色或绿色Micro显示屏。对此的一种可能方法是使用荧光粉或在单个像素上形成图案的量子点进行颜色转换。另一种解决方案是采用类似于许多OLED显示器所使用的白光OLED +彩色滤光片的解决方案，但Templier博士并未对此进行讨论。Micro LED可以在蓝色GaN背板上使用未图案化的白光转换材料，然后使用彩色滤光片排列。
Templier博士简要讨论的第三种选择是使用转移技术将单独的红色，绿色和蓝色Micro LED转移到基板上。本文讨论的Leti的hybrid巨量转移方法并不能真正做到这一点，尽管据说将Micro LED连接到新基板的微管方法适合于此。
另一种可能的全色方法是使用三个单色Micro LED，蓝色和绿色GaN和红色InGaAlP / InGaP / GaAs，并将三个图像组合成全色图像。虽然这可能是汽车HUD的解决方案，但它可能目前不适用于HMD。
不幸的是，对于Leti来说，如果一家公司想要在不久的将来设计AR或VR HMD或汽车HUD，那么与OLED或其他显示技术相比，Micro LED并不是一个慎重的选择。虽然Leti和其他地方的研究可能会在未来改变这种状况，但对于最终用户产品而言，它们目前在商业上不可行。
