In diesem Artikel werden wichtige Fortschritte bei MicroLED- und/oder QD-Displays anhand von Technologiefolien hervorgehoben. Diese Fortschritte werden auf der zweitägigen globalen Konferenz von TechBlick zum Thema "Mini- & Micro-LED-Displays" vorgestellt: Märkte, Fertigungsinnovationen, Anwendungen, vielversprechende Start-ups" vorgestellt, die vom 30. November bis 1. Dezember 2022 online auf TechBlicks virtueller Plattform stattfindet.
Auf der Tagesordnung stehen Vorträge von Samsung, Sharp, AUO, Coherent, ASMPT, Komori, CEA, Micledi, 3D Micromac, Allows Semiconductors und vielen anderen. Die vollständige Tagesordnung ist hier zu finden www.TechBlick.com/microLEDs
Wie sieht der zukünftige Markt für Mikro-LEDs in Bezug auf Absatz, Anwendung, Chiptyp und Backplane aus?
Die folgenden Folien zeigen einige der wichtigsten Prognosen und Analysen von Jerry Kang von Omdia - einem der führenden Analysten in diesem Bereich - der live online auf TechBlicks microLED- und QD-Veranstaltung vom 30. November bis 1. Dezember sprechen wird. www.TechBlick.com/microLEDs
Folie 1 zeigt, dass der microLED-Markt in den kommenden Jahren ein erhebliches Wachstum erfahren wird. Im Jahr 2021 wird der Absatz voraussichtlich nur 0,12k Einheiten betragen, was die fehlende technologische Reife und die hohen Kosten/geringe Ausbeute bei der Herstellung widerspiegelt. Im Jahr 2029 werden es voraussichtlich 12,7 Mio. Stück pro Fläche sein. Dies ist ein umwälzendes Wachstum, das aber immer noch nur 0,3 % des gesamten FPD-Marktes ausmacht!
Folie 1 zeigt auch die Aufteilung des Marktes - in Tausenden von Einheiten - nach Anwendungen. Die ersten, die auf den Markt kamen, waren öffentliche Bildschirme aufgrund der niedrigen technischen Hürden und der viel größeren Chips sowie des extrem niedrigen PPI-Wertes. Premium-Fernseher sind ebenfalls auf dem Markt und werden weiter wachsen. Hier ist die überragende Leistung bei Farbumfang, Leuchtdichte und Kontrast wertvoll. Smartwatches werden den Absatz ankurbeln, da hier die geringe Größe und der niedrigere PPI-Wert zu niedrigeren technischen Barrieren führen.
Folie 2 zeigt die Entwicklung des Marktes nach Backplane-Technologie. MicroLED auf Silizium (auf CMOS) ist für AR- oder HUD-Geräte mit hohem PPI geeignet. LTPS-Backplane ist aufgrund der hohen Mobilität von LTPS ideal für kleine und mittelgroße Anwendungen wie Smartwatches, aber LTPS lässt sich aufgrund der extrem großen Ungleichmäßigkeit von p-Si nicht auf große Flächen skalieren. Oxid-TFTs können auf Gen8 skaliert werden, während PCBs für ultragroße Displays wie Beschilderungen verwendet werden.
Folie 2 zeigt auch die Aufteilung der Prognose nach Chiptyp. Die On-Wafer-Option bedeutet, dass das uLED-Array direkt auf dem Epiwafer wächst. Hier können die Pixel sehr klein sein, aber die Gesamtgröße ist durch die Wafergröße (6-12 Zoll) begrenzt. Flip-Chip bedeutet, dass die Mikro-LEDs über Bodenelektroden verfügen, so dass sie per Flip-Chip auf das Zielsubstrat/die Rückwand montiert werden können.
Besuchen Sie uns vom 30. November bis 1. Dezember 2022 und erfahren Sie mehr über die Technologie und den Markt für microLED und Qunatum dots. Sie werden von einer fantastischen Reihe von Rednern hören, darunter Samsung, AUO, Sharp, ST Micro, Omdia, Yole, Coherent, Allos, etc. Sehen Sie sich die Tagesordnung hier an www.TechBlick.com/microLEDs
QD-Si-Bildsensoren - besser als InGaAs und SiGe im NIR- und SWIR-Bereich mit 1,62-2,2 um Pixelabstand
Es brauchte etwa 20 Jahre Forschung und Entwicklung, um kolloidale Quantenpunkte (CQD) als Bildsensoren auf den Markt zu bringen. Sie sind die ersten kommerziellen Produkte auf dem Markt, die CQDs in elektroaktiven Geräten verwenden, im Gegensatz zu allen anderen aktuellen Produkten, die CQDs im Photolumineszenzmodus verwenden.
Zunächst einmal: Warum Quantenpunkte? Die Partikelgröße von PbS-QDs kann so eingestellt werden, dass sie im gesamten SWIR-Bereich von 1000 nm bis 2500 nm absorbieren. Die folgende Folie zeigt, dass diese QDs auch gleichzeitig im NIR, im sichtbaren und im UV-Bereich absorbieren können.
Zweitens: Warum Quantenpunkte und Silizium? Offensichtlich basiert die fortschrittlichste Bildgebungstechnologie auf Silizium. Silizium ist jedoch für NIR und SWIR nicht empfindlich. Daher haben sich InGaAs- und SiGe-Sensoren auf diesem Markt durchgesetzt. Sie sind jedoch oft teuer und ihre heterogene Integration mit der Silizium-Ausleseschaltung (ROIC) kann die Komplexität erhöhen und die Pixelgrößen/-abstände begrenzen, obwohl sich dies durch Fortschritte bei der Cu-Cu-Bindung ändern könnte.
Wie auf der folgenden Folie zu sehen ist, können die QDs auf einem 300-mm-Siliziumwafer durch Schleuderbeschichtung aufgebracht werden. Einzelne PbS-QDs werden zu dünnen QD-Filmen mit einer Ligandenmatrix geformt. Daraus wird eine QF (Quantenfilm)-Photodiode mit oberen und unteren Elektroden (die für ein breites Lichtspektrum transparent sein müssen) gebildet. Diese QD-Fotodioden werden auf dem BEOL eines von oben beleuchteten Bildsensors gebildet. Die QD-Schicht wird dann über Cu-Vias mit dem Bildsensor verbunden.
Die QD-Technologie bringt nicht nur die Silizium-Bildsensortechnologie in das NIR/SWIR-Spektrum, sondern ermöglicht auch einen Füllfaktor von 100 % und trägt dazu bei, ein komplexes Global-Shutter-Pixel zu verkleinern (das andernfalls einen größeren Platz für die Fotodiode benötigen würde).
In dieser Studie, die auf der TechBlick-Konferenz Quantum Dot and microLED vom 30. November bis 1. Dezember vorgestellt wird, gibt Jonathan Steckel von ST einen Überblick über den Stand der Technik und zeigt, wie Pixelabstände von 1,62 bis 2,2 um auf 300-mm-Wafern demonstriert wurden. Die Quanteneffizienz (QE) beträgt >60% (940-1400nm)
Um mehr zu erfahren, besuchen Sie Jonathan und viele andere hochkarätige Redner vom 30. November bis 1. Dezember online auf der interaktiven und engagierten Plattform von TechBlick hier
Massenübertragung von uLEDs: Überwindung von Abmessungs-/Herstellungsschwankungen mit Magnetkopf/Stempel-Technologie
Die microLED-Display-Technologie erfordert eine massive parallele Übertragungstechnologie. Diese Technologie ist ohnehin schon komplex und wird noch komplexer werden, wenn Displays mit kleineren Chips und hohen PPIs in Betracht gezogen werden. Dies war einer der wichtigsten Entwicklungsbereiche in der uLED-Industrie.
Es wurden viele Ansätze für die parallele Übertragung vorgeschlagen. Die meisten basieren auf einer Art Stempel, der die Mikro-LED-Dies vom Wachstumssubstrat aufnimmt und sie auf die Zielsubstrate überträgt, um sie an der richtigen Stelle zu platzieren.
Eine kritische Herausforderung ist die Bewältigung der unvermeidlichen Höhen- und Maßabweichungen von uLEDs, die mit der standardmäßigen elastomerbasierten Mikro-LED-Technologie hergestellt werden, die sich, wenn sie nicht richtig gehandhabt werden, nachteilig auf die wichtigste Kennzahl auswirken können: die Ausbeute!
LuxNour Technologies Inc. schlägt einen neuartigen Ansatz vor, der auf elektromagnetischen Stempeln basiert und - wie in Folie 1 gezeigt - Abweichungen von mehreren zehn σ bei uLEDs tolerieren kann! Dies erhöht die Ausbeute und erleichtert den Druck auf die exakte Kontrolle der Mikro-LED-Abmessungen während des Wachstums. Nehmen Sie an der TechBlick-Fachkonferenz über Mikro-LEDs am 30. November und 1. Dezember teil und erfahren Sie mehr www.TechBlick.com/microLEDs
Makarem Hussein zeigt auf Folie eins die Struktur eines solchen elektromagnetischen Kopfes, der einen elektromagnetischen Hauptteil auf der Rückseite, ein nichtmagnetisches dielektrisches Element dazwischen und ein Muster aus hochpermeablen Materialien (z. B. Ni) und Öffnungen enthält. Die Bereiche mit hoher Permeabilität schirmen den Hauptmagneten ab und verhindern, dass sein Fluss nach außen dringt. Im Gegensatz dazu stellen die Öffnungen Diskontinuitäten in der Abschirmung dar, durch die die EM-Kraft nach außen dringen kann. Folie 2 zeigt eine Nahaufnahme der Struktur und des resultierenden magnetischen Flusses
Bei diesem Ansatz benötigen die Mikro-LEDs auch eine Metallisierungsschicht aus einem ferroelektrischen Material. Wie auf Folie 2 zu sehen ist, werden die Mikro-LEDs bei eingeschaltetem Magnetfeld - unabhängig von den Höhenunterschieden - von der EM-Kraft an den Öffnungen/Unterbrechungen erfasst. Wenn das Feld ausgeschaltet ist, werden die Chips freigegeben (oder platziert).
Folie 3 zeigt ein Beispiel für einen 100mx100mm-Stempel auf einem 150mm-Si-Wafer. Hier ist das hochpermeable Material Nickel. Dieser Stempel kann 15um microLED-Dies mit einem Abstand von nur 7,5um aufnehmen.
Dies ist eine sehr interessante Technologie mit hervorragendem Potenzial. Natürlich gibt es bei der Entwicklung von EM-Stempeln und -Köpfen ein beträchtliches Know-how, Fachwissen und Technologie (siehe Patent: ). Außerdem müssen die Hersteller von Mikro-LED-Wafern ihren Metallisierungsschritt übernehmen, um ein eisenhaltiges Material aufzubringen.
Makarem Hussein wird zusammen mit Sprechern von Samsung, Sharp, AUO, ST, Coherent und vielen anderen die Gegenwart und Zukunft der microLED-Technologie am 30. NOV - 2. Dezember diskutieren - siehe Tagesordnung hier www.TechBlick.com/microLEDs
Mikro-LEDs, gedruckte Elektronik und Laserdruck?
Holst hat die so genannte LIFT-Technologie entwickelt und weiterentwickelt, um auch den Lasertransfer oder das Laserdrucken von Mikrobauteilen wie Mikro-LEDs mit einer hohen Präzision von 1 um zu ermöglichen.
Auf der ersten Folie sehen Sie einen Vergleich zwischen dem klassischen laserinduzierten Vorwärtstransfer (LIFT) und der bei Holst entwickelten Technik, dem volumengesteuerten Laserdruck (VCLP).
Beim LIFT bewirkt die Laserbeleuchtung einen Strahl aus niedrig- bis mittelviskosen Druckfarben auf das Akzeptor- oder Zielsubstrat. Diese Technologie ist nicht mehr ganz neu und wird von manchen als die Digitalisierung des Siebdrucks angesehen. In dem Beispiel hier sehen Sie 200-um-Punkte aus leitfähiger Paste, die mit dem LIFT-Verfahren gedruckt wurden.
Das VCLP-Verfahren ist anders. Hier gibt der Laser feine Tröpfchen auf das Ziel-/Akzeptorsubstrat ab. Aufgrund der Volumenkontrolle ist eine bessere Auflösung möglich. Das vorliegende Beispiel zeigt 40um-Punkte hochviskoser Lotpaste, die mit der VCLP-Technologie gedruckt wurden. Man beachte, dass hier die Hochdurchsatzabscheidung von ultrafeinen Verbindungen, wie z. B. leitfähigen Klebstoffen und Lötpasten, von einer strukturierten Trägerplatte erfolgt, die mit einer firmeneigenen permanenten Trennschicht bedeckt ist.
Ein wichtiges Merkmal der VCLP-Technik ist die Kontrolle des Wärmeflusses. Ohne diesen kann es beim Laserdruck zu Unschärfen oder schlechter Definition kommen. Um den Wärmefluss zu steuern, hat Holst einen eigenen "permanenten" Stapel für einen sauberen, feinen Interconnect-Druck entwickelt. Auf der zweiten Folie sehen Sie die positiven Auswirkungen dieser Schicht auf das Erreichen eines gut definierten, hochauflösenden Laserdrucks.
Erstaunlich ist, dass nicht nur Tinten und Pasten (auch Klebstoffe und Lote) gedruckt werden können, sondern auch Mikrokomponenten wie Mikro-LED-Dies. In der schematischen Darstellung in Folie 3 sehen Sie die Konzepte. Hier sitzen die Mikro-LEDs auf dem proprietären "permanenten" Stapel und werden dann per Laser über den Druckspalt auf das Akzeptor-/Zielsubstrat freigegeben. Die Chips können <10um groß sein mit einer <5um Dicing-Straße. Mit dieser Technik können >10 Mio. UPH (Einheiten pro Stunde) mit einer Montagegenauigkeit von 1 um erreicht werden.
Die letzte Folie zeigt Beispiele von Mini- und Mikro-LEDs, die mit dieser Technik übertragen wurden. Die Mini-LEDs sind 125x125x80 um3 und die Mikro-LEDs 60x60x10 um3 groß.
Das sind unglaubliche Ergebnisse, die auf eine neue Laserdrucktechnik mit hohem Durchsatz hindeuten, mit der sowohl feine Linien von Tinten als auch hochviskose Pasten sowie Mini- und Mikrokomponenten gedruckt werden können.
Um mehr zu erfahren, besuchen Sie unsere microLED-Veranstaltung vom 30. November bis 1. Dezember, auf der diese Technologie vorgestellt wird.
Monolithische Integration von QD-Farbkonvertern mit GaN-Mikro-LED-Chips im Chipmaßstab
Die Herstellung, insbesondere der Massentransfer und die Reparatur, sind nach wie vor die größten Herausforderungen bei der Realisierung von Mikro-LED-Displays. Um den Prozess zu vereinfachen, schlagen viele vor, nur die blaue (oder sogar eine UV-)LED zu übertragen und RGB durch die Abscheidung von Farbkonvertern wie Quantenpunkten zu erreichen. Dies erfordert einen zusätzlichen Abscheidungsschritt. Aber was wäre, wenn man eine monolithische Integration von QDs und GaN-Mikro-LED-Chips in Chipgröße erreichen könnte? Saphlux schlägt genau das vor und wird dies vom 30. November bis 1. Dezember 2022 auf der microLED- und QD-Veranstaltung von TechBlick präsentieren www.TechBlick.com/microLEDs
Saphlux ist bei diesem Ansatz noch einen Schritt weiter gegangen. Anstelle der nachträglichen Abscheidung von QDs ermöglicht ihre Technologie die Integration von Quantenpunkten und Mikro-LEDs auf Chip-Ebene. Bei dieser Technik wird eine nanoporöse Struktur direkt im Inneren von LEDs gebildet, die als natürliches Gefäß für die In-situ-Integration von QDs dient. Der effektive Lichtweg kann durch die nanoporöse Struktur verlängert werden, um die Gesamteffizienz aufgrund des starken Streueffekts zu erhöhen. Auch die Zuverlässigkeit der Quantenpunkte wird durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Galliumnitrid-Materials erheblich verbessert, heißt es.
Wichtig ist, dass diese Technologie in der Lage sein soll, rote, grüne und blaue Pixel monolithisch in einen einzigen Chip zu integrieren, um die Komplexität und die Kosten der Herstellung von Mikro-LED-Displays erheblich zu reduzieren.
Bei dieser Technik können Nanoporen in LEDs erzeugt werden, indem das Material in eine saure Lösung getaucht und eine Vorspannung angelegt wird, die das elektrochemische Ätzen von n-Typ GaN antreibt. Durch Anpassen der Ätzspannung lassen sich sowohl die Porosität als auch die Größe der Nanoporen verändern. Anschließend werden die blauen LED mit freiliegenden GaN-Nanoporen an eine Stromtreiberplatte geklebt, und die roten/grünen QDs werden selektiv geladen, um eine Mikro-LED-Farbumwandlung zu erreichen.
Saphlux wird diese Entwicklung vom 30. November bis 1. Dezember 2022 auf der TechBlick-Veranstaltung zu Mikro-LEDs und QDs vorstellen.
Hybridisierung oder monolithische Integration von GaN-Mikro-LEDs auf Si-CMOS-Treibern: Technologieüberblick
Mikro-LEDs können direkt mit CMOS-Treibern integriert werden (anstelle der üblichen TFT-Backplane), was Displays mit hohem PPI ermöglicht, die für AR/MR-Brillen, Metaverse und in einigen Fällen sogar für großflächige Displays geeignet sind. Die wichtigste technologische Herausforderung dabei ist die Hybridisierung und/oder monolithische Integration von GaN-Mikro-LEDs und CMOS. Dies ist kein leichtes Unterfangen, da es sich um eine heterogene Hybridisierung oder Integration von zwei unterschiedlichen Materialsystemen handelt: GaN und Si.
Im Laufe der Jahre wurden von Unternehmen und Institutionen verschiedene Technologien zur Hybridisierung der beiden Komponenten vorgeschlagen. Sie reichen von Hybridisierungstechniken bis hin zur vollständigen monolithischen 3D-Integration. Diese Optionen, die in den letzten zehn Jahren von 2011 bis 2022 erforscht wurden, sind in der nachstehenden Folie dargestellt, die eine klare Kategorisierung der Techniken bietet, z. B. Hybridisierung vs. monolithische Integration, direktes vs. indirektes Bonding, align vs. non-aligned, usw.
In dieser Präsentation wird François Templier von CEA-Leti auf der TechBlick-Fachveranstaltung über Mikro-LEDs am 30. November bis 1. Dezember einen Überblick über diese Techniken geben und die Herausforderungen für ihre Herstellung erläutern. www.TechBlick.com/microLEDs. Es werden einige Beispiele für Lösungen vorgestellt, wie die Mikroröhrchentechnologie und die jüngsten Ergebnisse des Hybridklebens.
Mehr Infos www.TechBlick.com/microLEDs
R2R-gewachsene GaN-LEDs auf Metallfolien anstelle von teuren Saphirwafern?
R2R-gewachsene GaN-LEDs und vielleicht sogar GaN/AlGaN-HEMT-Transistoren auf Metallfolien anstelle von teuren kleinflächigen Saphirsubstraten? Dies könnte eine bahnbrechende Technologie sein, die die robuste und effiziente anorganische LED-Technologie auf große Flächen bringt. Bei Mikro-LED-Displays könnte dies eine monolithische Integration bedeuten, die zu Displays in Mobilgröße und großen Displays führt, die ohne einen Transferschritt vom Wafer zum Substrat hergestellt werden.
Wie unten dargestellt, entwickelt iBeam Materials eine solche Technologie. Dabei wird zunächst eine raue Metallfolie planarisiert und dann mit einem Ionenstrahl eine nm-dicke Schicht mit ausgerichteten Körnern gebildet. Diese "Vorlage" dient dann als Wachstumssubstrat anstelle z. B. eines Saphirwafers.
Wie unten zu sehen ist, wurde diese Technologie bereits zur Demonstration einer funktionsfähigen GaN-LED sowie eines GaN/AlGaN-HEMT eingesetzt. Im Juli 2021 (als die Ergebnisse auf der TechBlick vorgestellt wurden) lag der PL bei bis zu 70 % der normalen LEDs, die mit R2R gezüchtet wurden. Ein direkter Vergleich ist jedoch noch nicht fair, da der Standardansatz von jahrzehntelang angesammeltem Know-how und Produktionserfahrung profitiert.
Derzeit werden die LEDs noch nicht nach dem R2R-Verfahren hergestellt, obwohl die "Vorlage" auf einem 20 Zoll breiten Substrat R2R-gefertigt werden kann. Der nächste Entwicklungsschritt wird die Demonstration eines R2R-MOCVD-GaN-Wachstums sein. Die R2R-Produktion des Templates ist nicht der Engpass, sondern das Wachstum einer dicken (5um oder so) GaN-LED
Schließlich argumentiert Vladimir Matias, dass diese Technologie das Potenzial hat, die Produktionskosten um den Faktor 25 zu senken. Im Folgenden wird eine detaillierte Kostenanalyse gezeigt, die die technischen Meilensteine aufzeigt, die erreicht werden müssen, um diesen Kostenplan zu ermöglichen.
Um mehr über diesen Vortrag und über microLED zu erfahren, besuchen Sie die erste Fachveranstaltung von TechBlick zum Thema microLEDs:
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