激光加工技术在微型LED显示制造中的最新进展综述

一、主要作者与研究机构

本文题为《Recent progress of laser processing technology in micro-LED display manufacturing: a review》，主要作者及其所属机构包括：Lingxiao Song, Xuechao Yong（通讯作者）、Peilei Zhang（通讯作者）、Shijie Song、Kefan Chen、Hua Yan 和 Qinghua Lu，皆来自上海工程技术大学材料科学与工程学院；Tianzhu Sun（通讯作者）来自英国华威大学制造组（Warwick Manufacturing Group）；Yu Chen 来自上海 Amplitude 激光科技有限公司；Yuze Huang 来自英国兰开斯特大学工程系。
文章发表于期刊 Optics and Laser Technology，DOI 为 https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.111710，于2024年9月3日在线发布。

二、学术背景与研究主题

研究背景
近年来，微型LED（micro-LED）技术作为下一代显示技术中极具前景的一项创新技术，吸引了学术界与工业界的广泛关注。与传统液晶显示（LCD）和有机发光二极管（OLED）技术相比，micro-LED 在亮度、对比度和像素密度等关键性能指标上具有显著优势。这些性能上的改进使得 micro-LED 在电视、智能手机、可穿戴设备以及增强/虚拟现实（AR/VR）设备的高性能显示中具有巨大的潜力。然而，micro-LED 制造过程中涉及的精密操作、高效率及高成本问题仍是其商业化推广的主要瓶颈。

研究主题
本文是一篇综述类文章，详细探讨了激光技术在 micro-LED 显示制造中的应用与进展。激光因其具有非接触加工、高能量密度、高精度微结构成型等特性，在micro-LED 制造工艺中展现出巨大的优势，为 micro-LED 芯片的高效制造和装配提供了创新解决方案。

研究目的
本文旨在综述激光制程技术在 micro-LED 制造中的新型应用与技术进展，探讨其对微型显示和未来照明技术领域的推进作用，为如何优化 micro-LED 制造提供洞察。

三、文章的主要观点与详细阐述

观点一：micro-LED 的优势与挑战
- 优点：micro-LED 技术凭借高亮度、高对比度、快速响应时间以及高像素密度的特性，超越了 LCD 和 OLED 技术，是下一代高性能显示技术的代表。此外，micro-LED 芯片尺寸的缩小为设备提供了更灵活的机械性能和延展性。 - micro-LED 可提供超过100,000:1的对比度和纳秒级的响应时间，而传统 LCD 响应时间约为2至8毫秒。 - 在像素密度上，micro-LED 和 OLED 的分辨率可达5000-10,000 PPI，这在 VR/AR 应用中尤为关键。

• 挑战：在制造过程中，由于 micro-LED 芯片尺寸的微小化，其制备涉及的操作极为复杂，主要包括：
  • 微结构的精密加工；
  • 芯片转移的稳定性与高效性；
  • 光电性能和可靠性的整体提升；
  • 成本问题：micro-LED 的制造成本目前仍高达每平方米约1000美元，远高于LCD和OLED。

观点二：激光技术在 micro-LED 制造中的重要应用
激光技术在 micro-LED 制造中被广泛用于以下关键工艺过程。

1. 外延生长技术（Epitaxy Substrate Technology）

激光外延技术主要通过激光加热和材料沉积来在基板上生长 micro-LED 芯片。其主流技术包括脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD）和激光分子束外延（Laser Molecular Beam Epitaxy，LMBE）。
- PLD 的优势：在低温条件下控制材料生长，缺陷密度可降至 10⁴ cm⁻²，极大提高了晶体质量。 - LMBE 的突破：通过激光束精准控制分子束，可实现高质量的晶体生长；此外，研究显示，在较低沉积温度下，LMBE 技术仍可保持卓越的晶体结构。

2. 激光蚀刻（Laser Etching）

通过高能激光束聚焦，可精确蚀除材料表面，通过调节激光功率和脉冲时长实现微纳米结构加工。 - 激光直写（Laser Direct Writing，LDW）：无需掩膜，直接通过激光束在材料上定义所需图案。与传统干法蚀刻相比，LDW 可实现更加灵活的设计，同时对较小微结构的加工尤为适用。 - 飞秒激光直写：使用飞秒激光可进一步降低热影响区（HAZ），减少蚀刻过程中因热效应引发的材料损伤。

3. 激光剥离技术（Laser Lift-Off，LLO）

此技术主要用于将生长在蓝宝石等基板上的 GaN 外延层与基板分离。以波长与材料带隙能匹配的短脉冲激光，通过快速分解 GaN 层内的分子实现剥离。 - LLO 的优势： 1. 高效剥离速度（可达10 m/s）； 2. 避免机械损伤及化学污染； 3. 有助于提升 micro-LED 的光提取效率，解决光学串扰等问题。

观点三：激光加工技术的创新功能与未来潜力

1. 修复技术（Laser Repair）

激光修复技术可检测并修复潜在芯片缺陷，显著提高 micro-LED 的器件质量和可靠性。 - 案例：研究表明，激光修复技术通过优化外量子效率（EQE）和内部量子效率（IQE），有效减少器件内的非辐射复合现象，从而提升光电子性能。

2. 光提取效率优化（Light Extraction Efficiency Improvement）

激光蚀刻和激光直写技术通过在 micro-LED 表面创建微结构，可降低反射损耗，显著提升 LED 的光提取效率。这些优化对于高强度和高亮度显示应用极为关键。

3. 大规模转移（Massive Transfer）

基于激光的大规模转移技术利用高能激光的精准控制，将 micro-LED 从生长基板快速、准确地转移至目标基板。

四、文章的意义与价值

本综述文章全面分析了激光技术在micro-LED显示技术中的应用前景，展现了其在提升制造精度、提高生产效率及改善器件光电性能方面的重要作用。尤其是细述了先进激光加工技术在各种制造流程中的具体应用场景，标志着 micro-LED 技术领域的研究正迈向更加精细化和大规模化，为将来显示技术的多样化应用提供了更多可行性方案。

1. 科学意义：激光技术为解决 micro-LED 制造工艺中的关键瓶颈提供了创新思路，为学术界及工业界开辟了新领域。
2. 实际意义：在推动显示技术进步的同时，激光加工工艺的大规模应用将有望降低 micro-LED 的生产成本，使其成为主流显示技术。

五、研究亮点与技术创新

1. 技术创新：飞秒激光、脉冲激光沉积和激光直写等高精度技术的开发。
2. 生产效率提升：激光剥离（LLO）和大规模转移技术将有助于实现 micro-LED 的规模化应用。
3. 综合性能优化：通过激光技术提升发光效率、量子效率以及整体器件质量。

通过结合激光技术与 micro-LED 制造工艺的进展，本文为micro-LED在未来显示、照明应用中的全面推广奠定了理论研究基础和技术支持。