通过控制粘度来实现MicroLED显示屏的自组装
MicroLED显示器是由无机发光二极管（LED）微小的"颗粒"（或芯片）阵列构成的像素显示器。相较于基于有机LED的商用显示器，MicroLED显示器在功耗、色彩饱和度、亮度和稳定性方面的性能可能更出色，并且不存在图像老化问题，因此备受广泛关注。
为了制造这些显示器，LED芯片必须在独立的晶片上进行外延生长，以实现最佳器件性能，然后再转移到显示器基板上。然而，考虑到所需的LED数量巨大，例如，一个50英寸的超高清显示屏需要超过2400万个小于100微米的芯片，因此需要一种前所未有的规模和速度的转移工艺。这种工艺能够以低成本、高产能的方式组装数千万个LED，以实现MicroLED显示屏的商业化。
为了应对这一挑战，首尔国立大学Sunghoon Kwon教授联合Changsoon Kim教授借鉴了一种被称为流体自组装（FSA）的过程。在流体自组装过程中，分散在组装溶液中的小芯片集合体通过手动搅拌以最简单的形式开始运动。这种运动使芯片与浸在液体中的基底反复接触。基板的结合部位涂有熔化的焊料；当小芯片遇到焊料时，表面张力会在焊料和小芯片上的金属电极之间产生不可逆的结合。尽管该工艺简单，但却能同时组装许多芯片。受这一开创性工作的启发，作者将FSA应用于microLED芯片，但却遇到了一个问题：当芯片尺寸小于100微米时，组装良率大幅下降。
作者发现，要想组装出50微米以下的高良品率芯片，就必须增加从组装溶液传递到每个小芯片的动量。为此，作者在溶液中添加了一种名为泊洛沙姆的聚合物（高分子非离子表面活性剂，聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物），从而提高了溶液的粘度。这样做的另一个好处是可以去除结合点表面可能存在的微小气泡或小颗粒，这些微小气泡或小颗粒可能会阻碍小芯片和焊料之间的紧密接触，从而降低装配良率。通过在FSA工艺中加入少量的泊洛沙姆，作者生产出了由超过19000个微型LED芯片组成的照明面板，每个芯片发出蓝光，直径为45微米。仅用一分钟的人工搅拌，这些芯片的组装率就达到了99.88%。相关成果以“Fluidic self-assembly for MicroLED displays by controlled viscosity”为题发表在《Nature》上。
图1a-d显示了一个简单的基于搅拌的小芯片FSA实验过程。首先，蓝宝石基板上的结合点是由金层图案化的圆圈来定义的，通过浸渍焊接在其上形成熔融的焊料凸点（图1a）。将基板和底面带有金层的氮化镓 MicroLED芯片浸入水基液体中后，手动搅拌它们，以诱导焊料凸点和金层之间的接触。
图 1：FSA 制造的 MicroLED 照明面板
作者首先将基于搅拌的FSA应用于组装边长为150 μm的立方体硅芯片，获得了超过89%的良率。然而，当芯片尺寸减小时，结果明显不同：对于圆盘形或矩形立方体形的氮化镓 MicroLED芯片，其体积和质量比150μm芯片小约1000倍，组装良率低于5%。这种组装率的对比是由芯片相对于基底的速度机制的变化造成的。随着芯片尺寸的减小，使较大的芯片与基底发生充分碰撞的惯性力变得越来越小。因此，较小的芯片的速度场主要由液体的速度场决定，小芯片相对于基板的速度不足以进行装配。通过在组装溶液中添加2 wt%的泊洛沙姆，作者实现了组装产率的显著提高，从97%到99%不等（图2c）。
图 2：大、小 Chiplet 之间的装配机制差异及其对装配良率的影响
用FSA制造的MicroLED照明面板的结构示意图如图3a所示。作者首先在蓝宝石衬底上形成相互连接的底部金电极线，在这些电极线上组装由夹在氮化镓层之间的InGaN/GaN多量子阱组成的芯片，然后形成带有定义了19926个结合位点的孔阵列的SiO2层。组装完成后，将衬底放入烘箱中加热，在此期间，组装好的芯片顶面相对于衬底倾斜，变得扁平。然后通过旋涂沉积聚酰亚胺层，并在聚酰亚胺层上蚀刻圆形接触孔（图3a）。通过形成垂直于底电极线的相互连接的金顶电极线，完成了MicroLED面板的制造。
图 3：通过简单的基于搅拌的 FSA 工艺制造的 MicroLED 照明面板。
在本实验中，通过在组装液中添加泊洛沙姆，从而在高N的情况下组装出了FR值非常低的小芯片。利用图像处理方法，从MicroLED面板的高分辨率图像中提取组装芯片的中心点坐标，评估了结合点和组装芯片之间的对准精度。对196个芯片的分析表明，平均对准误差为1.25μm，约99.5%的芯片的对准误差低于2.9μm。这些结果清楚地表明了表面张力驱动的FSA的一个独特属性--自对准能力，并表明此技术的对准精度对于中型和大型显示应用都足够高。
图 4：基于搅拌的 FSA 工艺的 FR 与小芯片质量的关系
小结与展望
总之，作者利用一种简单的基于搅拌的FSA方法展示了一种由超过19,000个氮化镓芯片组成的蓝色发光MicroLED照明面板。这种并行技术是制造大尺寸MicroLED显示屏的工业解决方案的有力候选。
为了将作者的FSA技术应用于商用MicroLED显示屏，还需要进行以下改进。首先，有必要进一步提高装配良率，使其达到FR < 10-5的水平。其次，商业上可行的MicroLED显示屏需要组装更多数量（超过106个）的芯片。第三，本文的演示使用了熔化温度为60 °C的焊料，这对于商用MicroLED显示屏来说可能太低。第四，需要研究间距尺寸对成品率的影响。最后，对于全彩MicroLED显示屏，需要开发一种涉及三种类型LED芯片（分别发出红光、绿光和蓝光）的位置选择性组装方法。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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