陽明交大與芬蘭Picosun攜手研發:Mini LED平板量產背後的關鍵ALD技術

近期,LED產業的好消息絕對少不了LED大廠富采控股於Q2順利量產出貨Mini LED產品。Mini LED 背光產品可分區調控,達到比OLED更高的對比度以及色彩飽和度,國際品牌大廠近期更看準Mini LED商機,推出Mini LED背光產品,相關供應鏈需求與技術也跟著被帶動,其中,由晶元光電與隆達電子合作成立的富采控股更因其技術領先成為眾多終端品牌廠的重要合作夥伴。
 
由於Mini LED元件可靠性的標準高,為了有效維持元件本身的光電特性,製程中原子層沉積ALD (Atomic Deposition Layer) 技術就顯得格外關鍵—使用壽命延長、可靠性增強。因此自2015年起,國立陽明交通大學郭浩中、林建中教授研究團隊與芬蘭領先ALD設備廠商Picosun (www.picosun.com)便針對各類型光電元件進行深入的量產技術開發,Mini/Micro LED 正是重要的課題之一。
 
Picosun ALD藉由頂尖的薄膜塗層技術,在產業界及學術界扮演著領頭羊的角色,更是發展先進微電子及光電子元件製造的關鍵,加上Picosun台灣總代理 元鋒精密(www.twyfp.com)的技術支持,Picosun已成為LED大廠推動Mini/Micro LED從研發到量產的重要夥伴。
 
Picosun台灣總經理林哲歆博士表示:「藉由Picosun公司的ALD先進技術,我們有相當多的應用領域都是全球第一,很開心能看到Picosun ALD技術在Mini LED背光技術量產,客戶夥伴製造的成品所帶來色彩感官視覺的提升,對過去的研發投入是很重要的鼓舞。著眼於此,我們今年不畏疫情影響,年初已延續與陽明交大的研究計畫,持續深耕研發,期望帶給客戶更多新應用。」
 
Picosun團隊與陽明交大研究團隊合作
 
Picosun結合學術專業,以突破技術藩籬、促進產學合作,與國立陽明交通大學光電工程學系郭浩中、林建中教授研究團隊合作,致力於將ALD應用最大化。陽明交大研究團隊提到:「Mini/Micro LED技術的挑戰是量子點會伴隨著發光效率衰減的風險導致色彩轉換效率下降,因此我們與元鋒精密及Picosun公司合作導入ALD薄膜鈍化保護技術,使量子點不易受到外部環境(如水氣、氧氣)以及成膜環境溫度的影響,ALD技術的應用對於量子點相關的應用而言就顯得格外重要。」
 
此外,由於Micro LED具有高周長與面積比,並且GaN材料具有高表面複合速度,因此使用表面處理和ALD側壁鈍化技術來降低漏電流有著顯著的效果。下方圖一顯示了小尺寸有無進行ALD鈍化沉積技術的藍光Micro LED的漏電流現象比較,我們可以觀察出有無進行ALD技術的元件之漏電流分別為3.47 х 10-8 mA與2.96 х 10-7 mA。對於大尺寸的Micro LED,小尺寸的漏電流在有無側壁處理的比較下有著明顯的差異。在未來Micro LED尺寸越作越小的情況下,抑制漏電流現象會越加顯著,ALD鈍化沉積技術也將成為Micro LED技術中難以取代的 一環。
 

圖一、小尺寸Micro LED有無ALD鈍化層下的漏電流比較。

 
 

圖二、ALD鈍化層保護技術結合Micro LED奈米結構,提升元件發光效率。
 
陽明交大研究團隊也證明ALD薄膜鈍化技術沉積Al2O3增強Micro LED的EQE (外部量子效率,意指LED元件中每秒放射至自由空間的光子數與每秒注入LED的電子數之比值,用以判別LED本身能量轉換之優劣)。2019年國立陽明交通大學光電工程學系郭浩中、林建中教授研究團隊聯手國內聯嘉光電,合作開發三合一RGB Mini LED技術,更導入ALD技術用以避免量子點受到外部環境的影響,在50 ℃/ 50 % RH條件下進行300小時可靠性測試後,NTSC與Rec.2020的面積占比幾乎維持不變,證實低溫ALD技術為量子點材料提供廣泛的色域面積和穩定性,也對三合一Mini LED顯示器帶來良好的全彩性能。此外由於電漿輔助乾蝕刻導致平台層的表面和非輻射複合機率提升,小尺寸LED 的峰值EQE相當低,然而ALD側壁鈍化是減少LED中電漿缺陷的重要方法。隨著Micro LED尺寸從100×100 µm2、50×50 µm2縮小到5x5 µm2,觀察到注入到Micro LED的電流集中在檯面邊緣。對於小於10×10 µm2的元件,儘管較小元件的發光比大元件的發光更暗,但由於有效電流分佈在較小的平台區域,發光面積是均勻的。由圖三(a)所示,隨著Micro LED尺寸縮小(100µm à 5µm),有無進行ALD鈍化保護層沉積對小元件的影響越大,5 x 5 µm2的Micro LED元件相對於20 x 20 µm2和100 x 100 µm2的元件,其EQE提升的幅度最多,可以得知在未來Micro LED尺寸越做越小的情況下,ALD鈍化保護是更具有優勢的技術。
 
下方圖三(b)可以看出在不同尺寸的藍光Mini LED中,有經過Picosun ALD鈍化保護技術的小尺寸元件在有著較低的特徵溫度,說明Picosun ALD能夠有效抑制在側壁產生的Shockley-Read-Hall (SRH)複合,且隨著尺寸變大,ALD對側壁SRH複合的抑制效果變差,跟圖三(a)的尺寸越大其EQE改善現象越不明顯相呼應。所以在未來各式顯示器及VR/AR追求畫質色彩鮮豔度下,Mini/Micro LED的需求將會穩定大幅提升,ALD鈍化沉積技術將逐漸成為其中無可取代的一環。
 

圖三、(a)不同尺寸在有無ALD鈍化層沉積技術下EQE的變化;(b)不同尺寸Blue Mini LED有無ALD鈍化層下的特徵溫度。
 
2021年陽明交大郭浩中、林建中教授研究團隊與美國耶魯大學韓仲教授研究團隊合作提出奈米孔洞奈米結構Micro LED結合高精度超微距量子點噴塗技術(Super Inkjet Printing, SIJ)達到全彩效果,解決量子點材料本身因自聚集而產生不均勻地受光的問題,大幅提升色彩轉換效率。此外由於奈米孔洞中的量子點材料與環境的接觸面積大幅上升,導致量子點本身衰減的速率增加因此透過ALD成膜技術來達到阻水氧的效果。除此之外,從元件上進行分析比較平坦式結構與奈米孔洞結構的光均勻度差異,可以發現紅色量子點平坦式結構與奈米孔洞結構的均勻度分別為41.7%與90.7%,提升117%;而綠色量子點則是從46.7%上升至91.2%,提升幅度約為95%,如圖四所示。顯示奈米孔洞結構對於光均勻性有著顯著的提升,有利於白光背光源走向輕薄化、低成本的趨勢。
 

圖四、比較奈米孔洞與平坦式結構之光均勻度、色轉換效率比較表。
 
ALD鈍化沉積技術也用於科技部重點項目「奈米科技創新應用計畫」,在執行項目奈米結構Micro LED與螢光共振能量轉移之研究上,導入ALD鈍化沉積技術來提升Micro LED之外部量子效率,同時也會在將所合成的高轉換效率鈣鈦礦量子點噴塗在HCG奈米結構Micro LED元件上達到全彩像素的效果。Micro LED除了在顯示的應用之外,高傳輸速率也是其一大優勢,作為可見光通訊之光源具有高速、低能耗、無電磁干擾及資訊安全等優勢。陽明交大郭浩中、林建中教授研究團隊在第一年的成果利用16-QAM and 8-QAM的OFDM調變方式讓直徑為50µm的2×2顆 µLED陣列成功達到3.129 Gbit/s的高傳輸速率。在第二年的研究上將設計30µm之Micro LED陣列到特殊的TO-can/SMA模組連接器上,來提升類比調變響應(analog modulation response),能將傳輸速率提升到超過5 Gbit/s。
 
相關研究發表請見: 
1.        Liu, Zhaojun, et al. "Micro-light-emitting diodes with quantum dots in display technology." Light: Science & Applications 9.1 (2020): 1-23.
2.        Zhou, Xiaojie, et al. "Growth, transfer printing and colour conversion techniques towards full-colour micro-LED display." Progress in Quantum Electronics 71 (2020): 100263.
3.        Huang, Yu-Ming, et al. "High-Uniform and High-Efficient Color Conversion Nanoporous GaN-Based Micro-LED Display with Embedded Quantum Dots." Nanomaterials 11.10 (2021): 2696.