当一个新技术刚开始出现时，往往会带来很多希望和很多可能。近期，LED行业又有哪些新技术?未来产业发展，就靠这些技术了?
无透镜广角Mini LED封装技术
根据外媒AZO optics报道，近些年，科学家们已经陆续开发出一些具有高色彩饱和度和长寿命的白色发光二极管 (LED)，并开始将其用于柔性照明和显示技术。另一方面，由于具有颜色可调、柔性、量子效率高、发射光谱窄并支持光致发光等性能优势，胶体量子点(Colloidal QD)已经成为下一代照明技术的有力竞争者。这两种技术的结合，在未来可能会取代有机发光二极管(OLED)和液晶显示器 (LCD)。
图1. 柔性广角Mini-LED背光光源(a)关闭状态;(b)打开状态
实现颜色转换的稀土元素材料
量子点材料的各种性能，有助于进一步降低Micro-LED显示器的像素尺寸。
白光LED广泛用于平面照明等领域，其用作颜色转换材料的荧光粉通常都含有一些稀土元素 (REEs，Rare Earth Elements)。这是一种不可持续的方案，毕竟从长远来看，开采和使用稀土元素对经济和环境来说具有非常大的不利影响。
所以，开发具有高柔性、稳定性和光效的不含稀土元素的色彩转换材料一直是这个领域的研究课题。近年来，市场上已经出现使用超薄OLED面板来制作柔性灯和柔性显示器的产品，不过截至目前，这些产品还存在可靠性差和驱动电流高等问题。针对这些问题，研究人员做了相关研究，并显著提高了量子点的光效、可靠性和颜色可调性。
先前研究人员建议的芯片方案
在这之前，对于一些便携式消费电子产品所需要的柔性、轻薄和轻便需求，一些研究人员曾建议采用蓝色或紫色LED芯片搭配胶体量子点膜作为柔性平面光源模组的设计。实际上，基于钙钛矿量子点(PQD，Perovskite Quantum Dot)的混合型LED，就具有非常高的色域潜力，非常适合用于显示背光模组。
封装量子点颜色转换器和钙钛矿量子点的白光LED，以及具有高色域潜力的高稳定性介孔二氧化硅纳米复合材料，已被广泛用作显示器背光源。另外，驱动电流算法也已广泛用于Mini-LED显示器，它可以用来提升显示器色域和显示动态范围。
制造和封装广角(WA，Wide Angle)迷你发光二极管(Mini-LED)器件
在这项研究中，研究人员提出了一种搭配量子点膜的广角Mini-LED封装技术，可生产一种用于便携式QLED显示器的柔性超薄平面背光源，相对于其他Mini-LED封装方案，这种方案可以显著减少相同区域所需LED数量。
图2. 广角Mini-LED封装方案的6个步骤
这种广角Mini-LED封装的基础是发光波长在450 nm左右的GaN倒装蓝色LED芯片。具体到这项研究中，这些芯片的高度、宽度和长度分别为150um、127um和228.6μm。之所以选择GaN倒装芯片蓝色LED芯片，原因是它具有低热阻、无杯壳、能够承受高电流密度以及无需引线键合等优势。
具体的封装工艺大体上分六个步骤，包括基板上涂布扩散层、基板上贴附导光膜、微芯片染料键合、侧壁成型(Molding)、切割和与玻璃分离。
通过上述工艺步骤，研究人员制成了800 x 800 x 580 µm3的方形广角Mini-LED封装的器件。据介绍，这种方法不仅可以显著减少所使用LED芯片数量，还赋予了整个光源超薄、柔性和高光效等性能。这些结果也表明，采用这些技术设计的广角Mini-LED方形封装为高端QLED 显示应用提供了非常适合的背光源。
量子点膜的制造
通过将市场上的红色和绿色量子点与紫外线聚合物相结合，研究人员进一步制作了一种混合量子点膜。接着，他们使用自动刮刀涂布机，将该混合量子点膜进一步涂布在一层用作保护膜的PET薄膜上，最终形成了一种具有三明治状结构的量子点膜。之后，研究人员将这种具有PET/QD-PMMA/PET结构的量子点薄暴露于365 nm紫外线下30秒以完成固化。为了制造出最终具有ODL/PET/QD-PMMA/PET/ODL结构的成品膜，研究人员最后还需要使用刮刀涂布机将一种光学扩散层 (ODL，Optical Diffusion Layer) 涂布到PET/QD-PMMA/PET 薄膜两侧。
图3. 钙钛矿量子点膜结构
柔性电路板制作
研究人员在一片用环氧树脂和玻璃纤维(FR4)制成的电路板上排列键合了3200颗上述封装好的广角Mini-LED。整个背光单元中除了最底侧的电路板(含Mini-LED)，上方还有上述钙钛矿量子点膜和棱镜等其他光学膜材。这些部品组合在一起后，就构成了一片超薄、平坦且均匀的面光源。这里，光学膜一层一层地叠放在另一层上，它们之间的间隙很小。
图4. 使用广角Mini-LED封装结构和钙钛矿量子点膜方案的背光结构
结论
通过独特的封装方式设计，这种广角Mini-LED的性能得到了极大的提高。与传统的Mini-LED相比，中心亮度降低到26.5%，不过光取出效率提高到96.1%。与具有相同表面积的未封装Mini-LED相比，它可以让发光角度更宽，照明区域更大，单位面积LED颗数更少。这些发现，连同104.2%NTSC的高色域，都表明未来QLED显示器可能会使用这种背光技术并实现更高的色域。
浙江大学狄大卫教授团队发光二极管进展
近日，浙江大学光电学院狄大卫教授课题组先后在Nature Communications及Nature Photonics发表其课题组的最新研究文章。《Ultralow-voltage Operation of Light-emitting Diodes》一文创纪录地发现可以以LED能带宽度的36-60%超低压下观察到发光。《Ultrastable Near-infrared Perovskite Lightemitting Diodes》实现了超高稳定性、高效率(22.8%)的近红外钙钛矿发光二极管(钙钛矿LED)。
LED的发展对照明、显示和信息产业有着深远的影响。新兴的LED技术的研究倍受关注。LED发光的关键机制为电致发光(EL)，即在外部电压下注入的电子和空穴的辐射复合。有文献报道III-V 族半导体的 LED 的工作电压低至标称带隙的 77%，这是由于新型量子阱设计增强的辐射复合。对于OLED，其最小工作电压约0.5Eg/q，使用TTA工艺来解释这种低工作电压仍有争议，即电致发光的最低驱动电压到底是多少，以及它们是否基于同一个机理。
研究方法
在这项工作中测试了17种不同类型的LED，首先选择钙钛矿LED，制备了以近红外发光的碘基材料FPI、NFPI以及绿色发光的溴基材料PCPB的钙钛矿LED，这三种LED的最低驱动电压分别是1.3V、1.3V及1.9V，LED中光子的最高能量分别为1.55eV、1.56eV及2.4eV。这表明三种材料的LED均可在低于带隙所限制的最小阈值电压下发光。接下来选择几种不同的OLED、QLED以及商业III–V族半导体LED，得到的结论与之前的相似。
图 1 不同种LED的电致发光强度-电压的关系。
(a. 近红外发射FAPBI3(FPI)钙钛矿LED;b.近红外发射NFPI钙钛矿LED;c.绿光PCPB钙钛矿LED;d.基于Ir(ppy)3的磷光OLED;e.基于4CzlPN的TADF OLED;f.基于F8BT的聚合物OLED;g.基于红荧烯的荧光小分子OLED;h.基于CdSe/ZnS QDs的II-VI QLED;i.基于 GaAsP 的商用 III-V 无机 LED 。)
研究还发现几种钙钛矿LED驱动电压的数值从带隙上方调整到下方时，LED的电致发光EL谱线峰形及峰位都不变。
图2. 钙钛矿LED在高于及低于带隙所限制阈值电压下的EL光谱
为解决LED最低驱动电压到底是多少的问题，他们采用一套能探测到微弱光子信号的高灵敏度光子探测系统，确定了钙钛矿LED的光致发光强度与电压之间的关系，得出EL 的最小驱动电压为低于半导体带隙 50% 的值，并表现出每个光子0.6-1.4eV的表观能量增益。
图3. 不同LED在近带隙和亚带隙电压下的光致发光强度-电压曲线
论文中提到的测试方法中，使用了海洋光学高灵敏度QE Pro光谱仪对LED的发光性能进行表征。
图4. 用于测量在亚带隙电压下的 EL 光谱的实验装置示意图
与钙钛矿太阳能电池类似，钙钛矿LED的不稳定性是一重大难题。近年来，钙钛矿LED在外量子效率(EQE)方面发展十分迅速，但其在连续工作条件下T50工作寿命(亮度降低到其初始值一半所需时间)一般在10到100小时量级，而实际应用需器件在高EQE、宽辐亮度范围下实现更长的工作寿命(高于10000小时)。
和III-V族半导体及有机半导体相比，钙钛矿在器件工作过程中存在额外的降解通道。电场作用下的离子迁移和钙钛矿晶体结构的不稳定性，是影响钙钛矿器件稳定性的关键问题。解决这些问题，以同时实现长寿命与高效率，是领域的重大挑战。
研究亮点
作者选取了在高性能太阳能电池与LED均有应用的FAPbI3钙钛矿作为基本研究对象，引入双极性分子SFB10，实现了高效和超稳定的近红外(~800 nm)钙钛矿LED。器件峰值外量子效率(EQE)为22.8%，峰值能量转化效率(ECE)为20.7%。这些钙钛矿LED展现了优异的稳定性，在5 mA/cm2下连续运行超过3600h(5个月)没有观察到辐亮度衰减。据加速老化测试获得，在初始辐亮度(或电流密度)分别为0.21 W/sr/m2 (0.7 mA/cm2)时，预期T50工作寿命为2.4×106h (约270年)。
图5. 钙钛矿LED器件结构和性能
上述数据表明，钙钛矿LED可在满足实际应用的光功率(辐亮度)下稳定工作。作为参考，基于Ir(ppy)3的高效率绿光OLED器件，在1000 cd/m2的高亮度下时对应的辐亮度为2.1 W/sr/m2, 在100 cd/m2的较低亮度下对应的辐亮度为0.21 W/sr/m2。
表1：经SFB10稳定的钙钛矿LED寿命数据
为了探索器件高稳定性的原因，作者研究了双极性分子SFB10对钙钛矿薄膜稳定性的影响。结果表明，双极性分子SFB10提高了钙钛矿薄膜的热稳定性、相稳定性与荧光稳定性。经SFB10稳定剂处理的钙钛矿样品在空气中放置322 天，仍然维持了具有良好光电活性的α相FAPbI3钙钛矿，而对照组样品在14天内就发生了相变与降解。
图6：钙钛矿样品结构稳定性和荧光稳定性
图7：SFB10与钙钛矿前驱体化学相互作用表
论文提到的测试方法中，使用海洋光学QE Pro光谱仪进行EQE的J-V曲线测量，使用Maya2000Pro记录角电致发光强度分布。
QE Pro Maya2000 Pro 光谱仪
结论
超低驱动电压的研究为超低压LED器件的发展以及照明、显示及通信行业的发展做出贡献。超长的器件寿命有望提振钙钛矿LED领域的信心，这些近红外LED可用于近红外显示、通讯与生物等应用，为钙钛矿发光技术进入产业应用铺平了道路。
Micro LED生产与制程监控解决方案
Micro LED显示器适用多种场域，应用从穿戴装置、车用面板到大型广告看板，场景从室内延伸到户外各种应用，是显示技术未来之星。Micro LED拥有高阶显示器不可或缺的关键性能与优势，如高亮度、高对比、广色域、低耗能，以及更长使用寿命，相比其他显示技术都可以胜任未来显示应用所面临的挑战。
而micro LED显示器未来能否受到市场广泛采用，主要的挑战取决于技术成熟和成本降低;提高产能正是为这挑战提供了学习途径，这两者也都是量产(HVM)过渡期所需衡量的关键指数。由于整体良率是每一段制程良率的综效结果，这包括磊晶和microLED图形化生产良率、背板与驱动器IC生产良率、巨量转移与晶粒键合良率，因此需要每个生产阶段皆达成高良率目标，以降低维修时间与晶粒成本。
MicroLED显示器整体良率即是每一段制程良率的综效结果
Micro LED显示器集合上游的晶圆磊晶与晶粒生产，中游的驱动IC设计、生产与封装，再到下游面板背板生产、晶粒巨量转移与系统组装，这样的供应链虽然也有mini LED类似生产经验，但micro LED的生产制程和传统LED/mini LED不大一样，它更接近半导体技术，量产中所面临的新挑战，不论是如何提升小晶粒的发光效率(EQE)、主动式玻璃基背板的设计复杂、背板黄光制程次数增加、支援大玻璃基板与<10μm晶粒的巨量转移，以及生产4K电视所需的转移速度，都是显示器业界的全新挑战，唯有生产与检测技术创新与相互配合，才能提早解决所有micro LED显示器生产过程中所面临的瓶颈，并顺利迈向量产(HVM)的里程碑。
针对micro LED显示器专属的制程控制设备不若LCD/OLED供应链完备，其中检测与修补更是如何提升制程良率的关键步骤，不论制程解决方案供应商、半导体设备商与电子供应链，应充分合作扮演关键的推手，产业界共同期望国际大厂能对上、中、下游进行优势整合，并同时提出端对端的解决方案。
KLA公司因应这样的需求，针对MicroLED提出全方位LED生产与制程监控的解决方案，其中涉及多个制程阶段，包括磊晶制程、micro LED图形化、驱动IC生产、显示背板及巨量转移，并以数据分析串联检测资料流，贡献整个micro LED制造的良率提升— 从磊晶到最终micro LED显示器，我们经过市场验证的制程与制程监控设备，旨在满足独特又严苛的micro LED生产流程所面临的各种新挑战，并能加速提升广泛应用市场所需的产能，协助客户达成高良率目标。
LED晶圆成膜与蚀刻
我们来探讨micro LED晶粒制程的挑战，其中有三个制程影响良率至深，KLA致力于这三个关键制程解决方案，首先，LED mesa制程需要干净且蚀刻一致性高的设备，尤其是当晶圆尺寸放大、晶粒密度变高，且增加高品质侧壁保护层以满足发光效率，如此一来蚀刻均匀度的挑战就不容小觑，KLA透过稳定的低损伤mesa电浆蚀刻，维持micro LED小晶粒的高良率，并同时达到降低成本的目标。
LED晶圆成膜与蚀刻
其次，为micro LED晶粒转移前做准备，选择性蚀刻牺牲层是一大挑战，KLA在这关键制成投入十余年气相HF 研发，透过定向性气相HF 制程对氧化物进行干蚀刻，不但可以维持蚀刻品质的稳定度，并使各式microLED从蓝宝石晶圆转移到下一站制程，例如暂存基板COC(Chip on Carrier)或显示背板，变得更加容易、可行。
最后，为实现micro LED发光波长与亮度水平的均匀性，抗反射涂层和其他介电层需要具有非常高的晶圆内与晶圆间厚度和成分均匀性。因此，KLA在该领域对负责介电薄膜的典型PECVD沉积制程做了很多开发，以达到最终micro LED均匀度的要求。
LED晶圆制程监控
从Micro LED制造过程控制的角度来看，再次强调KLA所研究的关键挑战领域，当晶粒逐渐变小到<10μm时，无尘室与机台洁净度设计、检测灵敏度便成为驱动良率的重要因素。首先，为了制造出高品质的micro LED，micro LED元件在高品质的基板与磊晶制程中生产。这导致需要大量发展MOCVD制程检测，包括对裸晶圆的高灵敏度、高检测速度，以及使用人工智慧对想要避免的特定磊晶缺陷进行分类。
LED晶圆制程监控
这允许回馈到磊晶制程本身，以改进该制程品质，并向前回馈筛选出磊晶缺陷所导致的缺陷晶粒。其次，我们必须说制造micro LED晶粒制程与传统LED制程相比，需要使用相当高的灵敏度水平上进行缺陷检测，然后将这些检测结果再次回馈到巨量转移制程，以允许面板制造商仅使用已知的KGD(Known Good Die)组装显示器。
最后，正如我们谈到的micro LED需要具备非常高的发光波长与亮度均匀度，我们需要对每颗LED的薄膜厚度、关键尺寸(Critical Dimension)与对位精度(Overlay)进行晶圆级的量测，以监控制程的变异性，在我们的下一段巨量转移制程中，仅对那些非常非常均匀的Micro LED晶粒进行转移。
显示背板制程监控与良率提升
现在切换到背板生产需求，需要提供高品质的背板来进行巨量转移microLED晶粒。首先，我们发现micro LED用的背板往往具有相当长的比对间距，且像素图案不具重复性，这给背板的检查带来了极大的冲击，从过去我们习惯使用的像素到像素比对(pixel to pixel)的演算法，升级到晶片到晶片比对(die to die)的演算法，这样极需高速计算能力(HPC)来进行完整的影像处理，以满足更复杂背板设计所需要的缺陷检出灵敏度。
显示背板制程监控与良率提升
其次，与过去的背板设计相比，KLA发现micro LED背板需要更多的电晶体与电容元件来做为补偿电路，如此才能呈现高品质画面。为了达到micro LED显示器的动态切换和像素均匀性要求，这意味着背板电测需要完整测试电路的功能性，判定显示像素亮度的均匀性，并检出任何没有作动的像素。
巨量转移制程监控
最后，我们拥有测试过的高品质micro LED晶粒，以及高品质的背板。当然，在micro LED晶粒和IC转移后，我们也需要确认最终显示器的功能。首先是巨量转移量测，KLA发现为了实现并回馈巨量转移制程，以及监控与改善制程所需要的数据，必需测量每一颗LED晶粒和IC晶片的X/Y偏移，以及旋转角度。这种在背板上进行大规模测量，与前端逻辑和记忆体晶片的动态测量非常相似，也就是回馈前端步进曝光机做校正计算，这与使用大量测量来进行巨量转移的动态监控非常相似。
巨量转移制程监控
其次，需要确保巨量转移后缺陷率低，通过光学检查来确保转移的LED晶粒和IC晶片在巨量转移制程后不会遗失、损坏或变形，并回馈检测结果以进行必要的维修。最后在进行切割大面板前，需要进行电致发光测试(EL)，以确认终端面板电性与发光功能、亮度和均匀度都受到良好的控制。
