Mini/Micro LED,Micro OLED与VCSEL,原子层沉积ALD在尖端显示技术无所不在

叶国光 · 2020-08-31 · 阅读 8835

已上头条

背景》从苹果的ipad说起

随着美国大选的逼近,中国的友好爱国人士特朗普最近动作不断,中美冲突越来越激烈,不但激发了内地同胞的爱国热情,也撼动了中美之间剪不断理还乱的产业勾连,在两强之间最难受的估计就是布局两地生产与市场很深的国际巨头吧,尤其是苹果与苹果的代工厂商与供应链,苹果的生产与市场都在中国大陆有非常巨大的投资,它的一举一动确实影响着太平洋两岸的高科技产业,今天老叶不讨论集成电路芯片科技,不讨论华为,也不讨论未来高科技产业的格局。今天老叶要跟大家分享的,是苹果的最新显示科技:"使用mini LED背光的ipad! "

根据行家说发布的“苹果12.9英寸iPad Pro Mini LED背光关键供应链”一文和我台湾朋友得到的最新情报显示,12.9寸ipad pro将使用10,384颗Mini LED,并且做背光分区调控达到高对比度与高色彩饱和效果,Mini LED背光显示器具有高亮度高对比度特性,可将现有显示器对比度由10,000:1大幅度拉升至1,000,000:1,背光分区调控除了可以跟液晶同步调光之外,它还可以节省很多不必要的光浪费,电能消耗可以趋近于目前的OLED自发光显示技术,尤其在播放动态影像的时候,所以mini LED背光的显示器是目前唯一可以跟OLED抗衡的量产显示技术。


来源:行家说产业研究中心

苹果将要在2021年初推出最新的ipad,这个使用mini LED背光的ipad,我相信最近做LED的做LCD的和做OLED的都在关注这个技术,尤其是LED行业的焦点瞬间从micro LED转换成mini LED,也带动了相关设备厂商的股价飙涨,这其中有mini LED上中下游供应链,包含LED外延芯片厂,PCB厂和SMT厂(目前大部分都是以台系厂商为主),也有LED点测分选设备厂商,大家也许会问为什么只有点测分选设备?

因为在巨量转移没有成功量产之前,只要LED芯片面积越做越小,需要点测分选的芯片数量就会越多,点测分选机就会倍数成长。而其他的制程工艺包含外延与芯片的微影刻蚀薄膜研磨抛光切割,设备都可以直接沿用,也许切割机也会增加一点,但是增加数量不多,所以做激光切割机的厂商也许会受惠这一波行情,但是老叶认为不是很大。由于mini LED背光需要具有高信赖高可靠特性,在严峻的环境下于高温60度以及低温负10度内都可维持稳定的发光显示效果等优质特性,所以对Mini LED的器件可靠性要求非常高,今天我要介绍的主角原子层沉积ALD技术开始受到很大的关注,这也是我离开LED产业之后专注的一个新科技,没想到ALD与LED竟然意外的结合,让老叶走了一圈又要回到LED了,所以今天就让我帮大家介绍这个神奇的ALD技术吧!

原子层沉积ALD技术原理

原子层沉积ALD技术目前已经成为了微电子器件制造领域的必须。ALD技术于1974年首次由芬兰科学家Tuomo Suntola博士发明,Suntola博士目前也是我服务的芬兰Picosun公司的独立董事,他更在2018年因为此技术获得千禧发明奖(Millennium Technology Prize)。目前,该技术正被开发到最先进的微电子制造工艺中。ALD相比传统的化学气相沉积CVD,蒸镀Evaporator和溅镀PVD等沉积工艺具有先天上的优势。它充分利用表面饱和反应(surface saturation reactions),天生具备厚度的精确控制和高度的稳定性能,对温度和反应物通量的变化不太敏感。这样得到的薄膜既具有高纯度又具有高密度,既平整又具有高度的覆盖性,即使对于纵宽比高达100:1的凹槽结构也可实现良好的阶梯覆盖。ALD也顺应工业界向低温工艺制程发展的趋势,多数工艺都可以在400摄氏度以下进行,最低温甚至可以在50度成膜,而传统的CVD化学气相淀积制程要在高温下才可以做出更好的膜层。图一是ALD的沉积原理图与跟传统沉积技术的比较图。


图一ALD的原理与ALD与CVD的特性比较图

为什么mini 与micro LED需要用到ALD

如今,mini与micro LED的应用越来越广泛,如何提高它们的亮度以及使用寿命是热门话题,而原子层沉积技术ALD为之提供了革命性的解决办法。

ALD能形成超薄、无针孔的薄膜,它可以均匀、保形地覆盖至纳米级别的高台阶落差结构以及气孔、沟槽、空隙和孔洞的内部。因此,ALD薄膜优异的保型性使其在一些非常具有挑战性的特殊形貌与3D纳米结构的micro LED表面实现出色的钝化保护层,有效的起到防水气和阻氧作用;保护敏感的micro LED免受环境条件的影响,从而提高其性能。

此外,用ALD在发光二极管表面沉积一层钝化膜可以很好的修补被等离子刻蚀造成的破坏性表面,可有效的降低漏电流,显著提高LED的效率。另外兼具电流连接与透光的透明导电氧化层也可以用ALD来制造,这对于micro LED来说,无疑更为有利。在使用银镜面制程的倒装LED中,ALD薄膜对银层起到防变色保护作用,即使在高电场下,也能防止银的迁移。ALD作为光学薄膜的沉积工具,还可以用作增强光强的超薄分布式布拉格反射层(DBR),更可以调整薄膜的组成作为增透膜或增反膜的使用。

在精细的micro LED制造过程中,通常在其表面会有一些微观损伤造成光强度的损失,应用ALD对其进行修复,得到了十分显著的光强增强效果。以及,在纳米棒量子点micro LED中,纳米棒侧壁钝化显著提高了LED的发光强度。

ALD是一种温和的气相镀膜方法,工艺温度适中,该方法也适用于热敏感或化学敏感材料。只要改变ALD薄膜材料、堆叠纳米多层膜组成方式以及膜层厚度,就可以实现无限的表面保护和改良的可能性。 因此,ALD未来可以非常广泛的应用于mini与micro LED的制造过程中。

除了mini与micro LED,OLED与ALD也是绝配

众所周知,有机发光二极管(OLED)是由对湿度与水气极为敏感的有机材料制成的,如图二所示,OLED对水气穿透率的要求最高,其他电子器件虽然也有要求,但是跟OLED差了一到两个数量级,而ALD薄膜的保形性、均匀性和无针孔特性使其即使在对温度很敏感的材料上也能获得优良的防水气保护层,同时也能抵抗氧气和其他气体。


图二OLED的封装结构与各种器件水气穿透率比较图

传统的阻隔镀膜的方法,通常利用厚膜,甚至高分子聚合物/玻璃进行封装,以达到预期的阻隔性能。这些传统的镀膜方法会让OLED保护层的的厚度增加,导致发光结构由于膜层太厚减弱发光强度。厚膜还会增加OLED板的硬度,使其不太适合用于弯曲或可弯曲的显示器。但ALD薄膜的厚度通常从几纳米到几十纳米、最大几百纳米,几乎可以忽略不计,即不会增加OLED的尺寸,也不会造成阴影效果。ALD薄膜也比传统厚膜的膜层更加柔韧,因此,ALD与OLED也十分相配。

如图三所示,如果将不同材料的ALD薄膜组合成堆叠的纳米多层膜,可以进一步提高阻隔性能。纳米多层膜结构消除了单层膜中可能由于存在缺陷而引起的扩散路径,可以得到更好的保护效果。


图三单层膜层与多层膜层对阻挡缺陷的比较图

ALD在VCSEL面射型激光技术也非常重要

3D感测技术需要使用面射型激光VCSEL技术,由于VCSEL是一种基于对湿度与水气非常敏感的化合物半导体材料。如图四所示,ALD膜对它来说是一种很好的防水气保护层。传统的阻挡层镀膜方法如PECVD容易导致VCSEL上表面和侧壁之间的薄膜厚度发生明显变化,当薄膜的热膨胀系数随着厚度的变化而变化时,这会导致薄膜应力,在需要加热的制造步骤中容易产生问题。但因为ALD膜在VCSEL所有的表面厚度都是均匀的,所以能很好的避免这个问题。

VCSEL还需要对所有表面进行钝化处理,以确保提高性能和延长使用寿命。因此,ALD优异的均匀性和保形性对VCSEL器件性能的提升无疑再合适不过。 理想情况下,两种功能——钝化和防水气封装——都可以通过一个多功能ALD镀膜来实现。


图四VCSEL使用ALD膜层的示意图

来源:台湾交通大学光电研究所郭浩中教授实验室

AR与VR的显示技术要用Micro LED还是Micro OLED? 从Picosun这个新闻说起吧

最近我们芬兰公司总部发了一个重大新闻,内容如下:

作为AGILE ALD®(敏捷的原子层沉积技术)薄膜设备和解决方案的领先供应商,Picosun集团在2020年第二季度报告了创纪录的销售额。尤其是该集团生产的300mm (12寸)ALD技术深受客户的欢迎。

2020年第二季度的总订单量为1160万欧元,净销售额为980万欧元。Picosun的2020年第一季度也取得不错的成绩。上半年的订单量为2230万欧元,与去年同期相比增长了137%,净销售额为2050万欧元,同比增长了51%。

光电半导体市场,包括半导体照明、光电子、显示器和传感器的应用,是促进Picosun发展的关键驱动力之一。Picosun一直以来专注于开发针对200mm(8寸)晶圆片的完整工业ALD解决方案,因为光电子科技、传感器和发光器件制造商通常都使用这些尺寸的晶圆片,Picosun的解决方案在这些行业中居于领先地位,成为这些行业ALD设备第一首选。此外,Picosun还进军300mm(12寸)ALD市场,并因其新颖的制造解决方案获得了首批订单。

这个新闻虽然有广告之嫌,但是我要跟大家透露一个未来趋势,就是Micro LED与Micro OLED究竟谁比较有优势,尤其是Micro OLED进入12寸制程之后,如果成本降低,良率继续突破,Micro LED还有机会吗?

Micro LED一般称为微显示发光二极管,而Micro OLED应该称为微显示有机发光二极管,两者虽然差了一个英文字母,但是技术路线与使用的材料差异非常大,当然这两种器件都需要使用ALD技术来保护它,所以对我而言,两种技术如果都能成为微显示的主流,我都很支持,只是目前看来Micro LED有点落后了,而Micro OLED的技术与工艺已经逐渐趋于成熟,目前已经开始从8寸转入12寸工艺,所以吸引了大量的投资。我先介绍一下Micro OLED吧,它的结构如图五所示,因为应用在VR与AR,所以必须使用非常小的像素面积,目前以4k的VR或AR显示来看,最尖端的Micro OLED显示技术,5644个PPI(pixel per inch每英寸像素点),它的像素点面积大约是5微米左右,有机发光层使用非常精密的蒸镀设备镀上去的,由于有机发光材料很怕水气与氧气,所以需要使用低温工艺的保护层来保护它,所以ALD成为必须的工艺制程。


图五 硅基Micro OLED结构示意图,采用集成电路工艺,发光层是用蒸镀上去的,保护层使用ALD。

Micro OLED的驱动看似复杂,但是由于可以使用集成电路的技术,所以工艺反而相对成熟,只要拥有90纳米节点的集成电路技术,做Micro OLED驱动电路晶片相对简单,所以目前很多显示大厂对这个技术跃跃欲试,有大量的资金投入在这个领域,我相信未来VR的显示器,将很快进入国产化,VR使用Micro OLED应该毫无悬念。但是Micro OLED用在AR显示技术,目前有一个小瓶颈,就是OLED亮度问题,而AR应用需要利用投影的技术,亮度要求比VR更高,这也许是Micro LED的机会,但是AR的投影显示应用需要做到5微米像素点面积,Micro LED如何做到?我最近一直陷入沉思,要与Micro OLED竞争,AR显示将是Micro LED最重要的战役,我不是很看好,但是我希望Micro LED能冲出Micro OLED给它设定的障碍!

我对显示技术路线的大胆预测

显示技术发展到现在,还有两个悬念还没有确定,OLED与LCD还在中小尺寸缠斗,这个是现在式,Micro OLED与Micro LED未来也会开始竞争,属于未来式,其他面积的版图我觉得应该大致抵定了,如图六所示,超小尺寸应用像AR,VR与手表,OLED应该会胜出,但是VR有悬念,就看Micro LED能否突破了,手表应该是平分秋色,贵的用Micro LED,便宜的用OLED。手机估计是OLED的天下,ipad与笔记本电脑,未来将会是LCD加上mini LED背光的技术,OLED估计很难突破这个防线,只能在小尺寸称霸。需要电池的移动终端,省电很重要,但是插电的显示器,因为耗电量其实也不大,估计省电就不是这么重要了,所以电视估计还是LCD主导,量子点与mini背光是LCD的点缀,传统投影机慢慢的会被激光显示与小间距LED显示屏取代,而LED大屏幕估计在超大显示的应用应该是独孤求败了。

以上是我的观点与我的预测,欢迎讨论!


图六 显示技术未来的技术竞争版图,横轴是显示尺寸,纵轴是技术成熟度。

关于芬兰Picosun公司

芬兰Picosun公司创立于1997年,员工大部分是ALD设备与薄膜专业领域的人才,Picosun的技术团队被誉为最好的ALD研发队伍,在ALD领域拥有大量的专利,目前最新的产品已经发展到第16代ALD系统。Picosun与全世界先进的高科技产业和顶级的研究机构深度合作,在全球ALD市场中处于前沿位置,Picosun具有世界领先的薄膜制备技术引领全球工业和科研领域的薄膜方案,Picosun的设备具有多功能性、灵活性、模块化,并可扩展为研发与生产兼备的设备技术方案,Picosun的ALD设备已经成为世界上顶级工业和科研机构制做各种纳米薄膜必不可少的工具。Picosun公司总部位于芬兰Espoo艾斯堡,生产基地位于芬兰Masala马萨拉,有遍及全球的研发服务与销售网络确保最优的售后服务与技术支持,在大中华地区更与多家研究机构与科技大厂进行深度合作,助力此地区高科技产业的发展与壮大。

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