特別說(shuō)明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫(xiě)，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨愛(ài)吃帶魚(yú)的小分子
編輯丨風(fēng)云
目前，印花法已經(jīng)演示了將RGB LED轉(zhuǎn)移到單個(gè)RGB子像素。但如放置精度問(wèn)題、重復(fù)性差和有限尺寸等限制阻礙了高傳輸吞吐量。相比，FSA在流體中傳輸微尺寸元件，微尺寸元件附著在熔融焊料上，并通過(guò)最小化液態(tài)焊料的表面自由能在受體位點(diǎn)上自對(duì)齊。然而，將LED移動(dòng)到受體位置的最佳方法尚未確定,且轉(zhuǎn)移收率不夠高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。商業(yè)化需要一個(gè)高吞吐量的傳輸，以解決高容量的消費(fèi)市場(chǎng)，其次，需要可擴(kuò)展的技術(shù)將MicroLED轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)尺寸的基板上。第三，必須確定RGB微LED選擇性FSA的技術(shù)解決方案。目前，大多數(shù)關(guān)于MicroLED FSA的研究都是使用單色LED進(jìn)行的。
基于此，韓國(guó)LG電子材料與器件先進(jìn)研究中心的Wonjae Chang、Jeong Soo Lee等提出了一種結(jié)合了磁力和介電泳(DEP)力的MDSAT方法，以高速將RGB LED轉(zhuǎn)移到大面積襯底上，轉(zhuǎn)移產(chǎn)量?jī)?yōu)于先前的FSA方法。此外，MDSAT是一種可擴(kuò)展的工藝，可以覆蓋當(dāng)今顯示器生產(chǎn)中的玻璃尺寸。通過(guò)優(yōu)化組裝條件、受體設(shè)計(jì)和形狀匹配，RGB LED的轉(zhuǎn)移率達(dá)到99.99%，當(dāng)與冗余像素架構(gòu)結(jié)合使用時(shí)，足以實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷的4k分辨率顯示，是一種理想的用于批量生產(chǎn)下一代商業(yè)產(chǎn)品的微LED轉(zhuǎn)移技術(shù)。論文以《Concurrent self-assembly of RGB microLEDs for next-generation displays》題發(fā)表在Nature上。
MDSAT方法概述
MDSAT方法如圖1a所示，圖1a顯示了將微型LED和組裝基板放置在以去離子水為流體介質(zhì)的浴室中。沿著襯底的背面放置圓形磁棒陣列，以對(duì)嵌入微LED的鐵磁性材料(鎳)施加磁力。最初，每個(gè)磁鐵被提供一個(gè)軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣無(wú)數(shù)的微型LED聚集在它周?chē)S后，磁性陣列在x和y方向上移動(dòng)，掃描襯底的整個(gè)區(qū)域。微LED團(tuán)簇響應(yīng)磁力移動(dòng)，當(dāng)它靠近受體孔時(shí)，來(lái)自該團(tuán)簇的微LED被DEP力困在孔中。圖1b顯示了兩個(gè)受體孔之間的DEP和磁力分布。DEP力超過(guò)磁力10倍，并控制最終的組裝過(guò)程，其中由于DEP是一種短程力量，它只在受體孔周?chē)行АＯ啾戎拢帕υ诤荛L(zhǎng)的范圍內(nèi)起作用，并有助于微型LED在襯底上的傳輸。
圖1：MDSAT流體裝配過(guò)程示意圖及COMSOL模擬計(jì)算的DEP和磁力分布圖
DEP與磁力的關(guān)系
首先研究了由DEP力引起的微型LED在以相對(duì)于受體孔表面的不同角度接近受體孔時(shí)的運(yùn)動(dòng)。microLED是直徑38 μm的GaN基圓盤(pán)，具有兩個(gè)明顯的特征: 底部有金屬層(Ti)，側(cè)壁和頂部有鈍化層(圖2a)。采用COMSOL有限元模擬方法研究了microLED與受體孔之間的DEP力。當(dāng)粒子的感應(yīng)偶極子與非均勻電場(chǎng)相互作用時(shí)，DEP力使粒子運(yùn)動(dòng)。圖2a顯示了DEP力矢量在組裝電極方向上的z軸分量。DEP力隨著角度的減小而增大，說(shuō)明隨著角度的減小，微LED被拉向受體孔，當(dāng)角度小于10°時(shí)，DEP力占主導(dǎo)地位，最終組裝完成。MDSAT方法中磁體的軸向旋轉(zhuǎn)會(huì)引起微LED的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，預(yù)計(jì)會(huì)增加微LED滿(mǎn)足組裝角度標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)會(huì)。而當(dāng)角度大于60°時(shí)，DEP力在0附近波動(dòng)，然后在165°后變?yōu)槊黠@的負(fù)值。這表明微型LED可能會(huì)被推離受體孔的角度大于60°，特別是在存在外部磁力的情況下。利用超高速攝像機(jī)監(jiān)測(cè)了單色微LED在感受器孔附近的行為驗(yàn)證模擬結(jié)果。研究觀察到裝配過(guò)程中的三個(gè)不同階段：圖2b,e顯示了階段1，其中微型LED聚集在受體孔周?chē)皂憫?yīng)磁力的運(yùn)動(dòng)。最靠近受體孔的微型LED對(duì)新興的DEP力作出反應(yīng)，其邊緣與受體孔的周長(zhǎng)相鄰。圖2c,f顯示了階段2，其中微型LED響應(yīng)磁鐵的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)沿著孔的邊緣擺動(dòng)，表明它處于DEP和磁力之間平衡的過(guò)渡狀態(tài)。在階段3（圖2d,g），當(dāng)微型LED與受體孔之間的角度低于特定角度時(shí)，微型LED被組裝起來(lái)。在描述微型LED在受體孔中的行為的基礎(chǔ)上，研究了與DEP相關(guān)的施加峰峰電壓(Vpp)變化時(shí)的轉(zhuǎn)移產(chǎn)率。圖2h給出了實(shí)驗(yàn)獲得的傳遞率以及COMSOL模擬計(jì)算的DEP和磁力：隨著Vpp的增加，轉(zhuǎn)移產(chǎn)率開(kāi)始增加，達(dá)到最大值后開(kāi)始下降。為了解釋這種行為，在組裝地點(diǎn)的圖像由電荷耦合器件相機(jī)和圖像分析進(jìn)行。在圖像分析的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)在一個(gè)受體位點(diǎn)存在未組裝位點(diǎn)和多個(gè)微LED等缺陷，從而降低了轉(zhuǎn)移率。
圖 2：DEP力對(duì)微型LED組裝行為和轉(zhuǎn)移良率的影響
使用MDSAT方法進(jìn)行RGB組裝
研究進(jìn)行了RGB微LED的并發(fā)自組裝，并證明使用所提出的MDSAT方法可以獲得高組裝率。設(shè)計(jì)了與RGB微LED相匹配的受體孔，并設(shè)計(jì)了兩個(gè)軸向的受體孔尺寸均比LED大4 μm，紅孔直徑為42 μm，綠孔直徑為49×35 μm，藍(lán)孔直徑為56×28 μm，獲得了99.81%的組裝率。對(duì)缺陷的仔細(xì)檢查（圖3）表明：微LED以?xún)A斜的方式組裝，其中微LED的一側(cè)位于受體孔的底角，而另一側(cè)則位于受體孔的頂部。為了詳細(xì)研究這些形狀不匹配缺陷，對(duì)所有形狀不匹配組合情況下，不同θi（LED和受體孔之間的傾角）下的DEP力作為受體孔高度的函數(shù)進(jìn)行了定量分析（圖3c）。當(dāng)受體空穴高度增加到5 μm時(shí)，θi增大，作用在LED上的DEP力減小。當(dāng)孔高增加到4.3 μm以上，形狀不匹配情況下的DEP水平均低于磁力水平。這表明增加孔高度可以增強(qiáng)形狀不匹配缺陷的自我修復(fù)。進(jìn)一步研究了3~5 μm的受體孔高度對(duì)轉(zhuǎn)移產(chǎn)率的影響（圖3d）。隨著受體空穴高度的增加，由于形狀不匹配缺陷的減少，轉(zhuǎn)移收率顯著提高。將孔高提高到4 μm后，轉(zhuǎn)移收率和缺陷率顯著提高，當(dāng)孔高達(dá)到4.5 μm和5 μm時(shí)，轉(zhuǎn)移收率高達(dá)99.99%，前所未有。
圖 3：形狀不匹配缺陷的顯微鏡圖像和示意圖以及DEP力和傳遞產(chǎn)率隨受體孔高度的變化
還利用MDSAT方法制作了100×100 mm RGB MicroLED顯示面板（圖4a）。采用噴霧工藝對(duì)自組裝后的微型LED進(jìn)行固定，然后進(jìn)行平面化，制作連接電源線和陽(yáng)極與普通電極襯墊的接觸孔。RGB面板的橫截面視圖顯示了這些組成部分如圖4所示，顯示了RGB面板的電致發(fā)光發(fā)射，具有優(yōu)異的發(fā)射強(qiáng)度和亮度均勻性，插入圖顯示了3×3像素的放大視圖，清晰地發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種顏色。在像素率方面，該面板顯示了10個(gè)缺陷像素，代表99.98%的發(fā)射像素率。
圖 4：無(wú)源矩陣MicroLed面板的圖像、I-V特性和RGB光譜
研究提出了一種新的基于流體自組裝(FSA)技術(shù)的磁力輔助介電泳自組裝轉(zhuǎn)移技術(shù)(MDSAT)，克服了放置精度、重復(fù)性差和有限尺寸等限制阻礙了高傳輸吞吐量等問(wèn)題，是一種優(yōu)秀的轉(zhuǎn)移技術(shù)候選，可為主流商業(yè)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)提供新方案。
參考文獻(xiàn)：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38052-0
Shengyao Wang et al. Concurrent self-assembly of RGB microLEDs for next-generation displays.Nature (2023).
DOI：10.1038/s41586-023-05889-w
