次世代ディスプレイ用マイクロLEDの集積技術(6)-フルカラー表示のためのボンディング統合


2023年1月10日 DINGBO CHEN、 YU-CHANG CHEN、 GUANG ZENG、 DAVID WEI ZHANG、 HONG-LIANG LU 

 

基本的に、ウエハーボンディングは同質または異質の材料を単一の基板上に統合するプロセスです。赤、緑、青のLEDエピタキシャルウエハが同じ基板にボンディングされると、ハイブリッドLEDウエハから製造されたマイクロLEDは多色性を持ちます。

 

2014年、Chunらは垂直積層ハイブリッドウエハを用いた色可変LEDの製造を試みました(次図A参照)。接着層として酸化インジウム錫層を使用し、GaNベースの青色およびAlGaInPベースの黄色LEDエピタキシャル層をボンディングしました。LLOによる基板の除去とデバイスパターニングの後、色可変発光を持つ統合LEDが得られました。この研究は、垂直積層エピタキシャル材料を使用したフルカラーマイクロLEDディスプレイの実現の可能性を示しています。ただし、垂直積層構造のため、下部のLEDの光出力が妨げられ、デバイスの光取り出し効率が制限されることがあります。さらに、エネルギーバンドギャップが低いAlGaInP材料は、GaNベースのLEDから放出される高エネルギーフォトンによって励起されるため、ハイブリッドチップ内のLED間に重大な干渉が発生します。

 

Ostendo Inc. は、干渉問題を解決し意図した色の変調を実現するために、フルカラーマイクロLEDディスプレイのための新しいアプローチを開発しました。金属ボンディングを使用して、異なる主波長のエピタキシャルウエハをパターン化されたCMOS基板に積層しました。その後、マイクロLEDアレイがパターン化され、ピクセルピッチは5〜10μmでした。次に、光の抽出のためにハイブリッドピクセル全体に垂直ウェーブガイド構造のアレイが設計されました(次図B)。この方法では、異なる波長の放射光をウェーブガイドに結合して、チップ内ではなく色の制御を実現することができます。最終的に、HD-720解像度のフルカラーディスプレイが実証されました。次図Cはディスプレイマトリックスの走査型電子顕微鏡(SEM)画像を示しています。金属ボンディングとウェーブガイド結合によって干渉問題は効果的に解消されますが、それには蛍光活性層の領域の縮小が伴います。また、制限されたウェーブガイドの断面積は、光の抽出効率も低下させます。

 

韓国科学技術院(KAIST)は、別ののボンディング方法を提案しました。SiO2/SiNxのペアで構成される分布型ブラッグ反射鏡(DBR)がボンディング媒体として使用されました(次図D参照)。SiO2/SiNxのペアの構造と数を設計することで、DBRはボンディング界面で青色光を選択的に反射し、赤色光を透過することが可能になります。次図Eはハイブリッドウェーハの断面SEM画像を示しています。平坦なボンディング界面は、この方法が超高解像度のフルカラーディスプレイの製造に適していることを証明しています。設計されたDBRにより、スタックされたチップ内の各活性領域からの光は内部ではなく外部にのみ放射されます。このアプローチは、光放出領域がピクセルサイズとほぼ同じであるため、大規模な光の抽出が可能と期待されています。ただし、高反射率と高透過率を持つDBRの製造は依然として課題となります。一致しないDBRは、光の抽出効率と色域を低下させる可能性があります。

 

 

(A) 青色LEDエピタキシャル層と黄色LEDエピタキシャル層のボンディング統合 。 (B) 垂直方向の波長ガイドを持つスタックされたRGBアクティブ層を持つフルカラーマイクロLEDピクセルの断面図。 (C) ディスプレイ用のフルカラーマイクロLEDアレイのSEM画像 。 (D) DBRと結合された多色多量子井戸(MQWs)の色混合の原理の図解。 (E) 垂直にスタックされたフルカラーマイクロLEDウエハの断面SEM画像。

 

 

垂直スタッキングに加えて、ボンディング統合はRGBマイクロLEDの水平構成も可能にします。Dong-Seon Leeのグループは、SU-8による接着ボンディング方法を開発しました。フルカラーの最適なボンディングプロセスは次図Aに示されています。緑色のLEDアレイが作成された後、SU-8の層がウェーハに塗布され、それから青色のLEDウェーハとボンディングされます。成長基板は湿式エッチングによって除去することができます。青色のLEDアレイが完成した後、同じプロセスを使用して赤色のLEDウェーハを統合することができます。

 

次図Bはフルカラーウェーハの断面SEM画像を示し、3つのLEDフィルムと2つのボンディング層を明確に示しています。フルカラーサブピクセルの発光写真と断面図は、それぞれ次図Cと次図Dに見ることができます。次図Eと次図Fは、フルカラーLEDの電気発光(EL)スペクトルと国際照明委員会(CIE)色座標を示しています。転写統合と同様に、水平構成はより広い色域と高い光抽出効率を持つマイクロLEDディスプレイを実現します。同時に、ボンディング統合により、フォトリソグラフィによってマイクロLEDダイをウェーハ上に直接形成することが可能であり、超小型のピクセルサイズと超高解像度を実現する可能性があります。

 

 

(A) ボンディング統合によるフルカラー無機LEDの製造手順の模式図。 (B) 断面SEM画像と (C) マイクロスコープ画像のフルカラーLED。 (D) フルカラーサブピクセルの断面模式図。 (E) ホワイトカラーモードにおけるフルカラーLEDのELスペクトル。 (F) 各種カラーモードにおけるフルカラーLEDの国際照明委員会 (CIE) 座標。