次世代ディスプレイ用マイクロLEDの集積技術（7）-駆動回路との一体化

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

フリップチップボンディングは、広範な面積のLEDのパッケージングに広く使用されており、高効率の光抽出のためにLEDに逆向きの光出口窓を提供しています。マイクロLEDでは、フリップチップボンディングがハイブリッド化プロセスを容易にしました。これは、サファイアまたはシリコンウェハ上にマイクロLEDアレイを作製し、アクティブマトリックスCMOS回路を別々に作製し、ウェハボンディングによってそれらをハイブリッド化するプロセスです。ハイブリッド化とは、電極の位置合わせとデバイスの組み立て、つまり、各LEDピクセルが専用のドライバーサブ回路に電気的に接続される必要があることを意味します。良好な電気接続と安定した機械的特性のために、ほとんどのハイブリッド化プロセスは金属ボンディングで行われました。

Griffinらは、Auバンプをボンディング金属として使用した、マイクロピクセル化されたフリップチップLEDの最初の実証を行いました。事前にLEDウェハにはアライメントマークが設計され、72μmのGaNマイクロLEDの16×16アレイがSiマウントとハイブリッド化されました。この研究を基に、Dayらはサファイア上のマイクロLEDアレイとSi CMOSアクティブマトリックスICのハイブリッド統合を報告しました（次図A）。直径6μmのインジウムバンプを用いた低温ボンディングにはリフローソルダリング技術が使用されました。その結果、高解像度のビデオグラフィックスアレイマイクロディスプレイ（ピクセルサイズ12μm）が実現されました（次図BおよびC）。しかし、LEDウェハとCMOSウェハのCTEミスマッチにより、リフローソルダリングプロセスは高温でのハンダ付け時に位置合わせの問題を引き起こす可能性があります。

この問題を解決するため、CEA-Letiは室温でのフリップチップボンディングを実現するためのマイクロチューブ技術を開発しました（次図D）。この技術により、エピタキシャル基板とボンデッド基板の熱的なミスマッチが最大限に軽減されました。まず、Au膜で被覆された硬質金属からなるマイクロチューブを、ボトムのCMOSウェハ上に作製しました（次図EおよびF）。次に、トップのLEDウェハ上にインジウムバンプを形成しました。硬質なマイクロチューブが一定のボンディング圧力下で柔らかいインジウムバンプに挿入できるため、ボトムウェハとトップウェハは室温で誤差なく組み立てることができます。この方法により、ピクセルピッチがサブ-10μmの高解像度ディスプレイが実現され、高級マイクロディスプレイの分野で大きな潜在能力を示しています（次図G）。

また韓国のKyung Hee Universityによって、マイクロLEDディスプレイの別の室温ボンディングが報告されました。次図Hに示すように、まずガラス基板上にアモルファスなインジウム・ガリウム・亜鉛酸化物（IGZO）TFTアレイが作製され、その後、マイクロLEDウェハがフリップチップボンディングでTFTバックプレーンに転写されました。ボンディング層としては、接着剤とAuめっき粒子を含んだ異方性導電ペーストフィルムが使用されました。ドライバICもボンディングされ、TFTバックプレーンに接続されました。解像度384×128の2インチアクティブマトリクスマイクロLEDディスプレイが得られました。TFTは低コストで大面積で製造することができるため、このワークではボンディング統合により大面積のマイクロLEDディスプレイを実現できます。ただし、接着剤中のマイクロメートルスケールのAu粒子は、マイクロLEDのピクセルが続けて減少すると均一ではなくなる可能性があります。したがって、異方性導電ペーストフィルムのボンディング層により、マイクロLEDピクセルの均一性と安定性が制約されることになります。

フリップチップピクセルの位置ずれの問題に加えて、異種サファイア基板は強い光クロストークも引き起こす可能性があります。しかし、完全にサファイア基板を取り外すには高コストなLLOプロセスが必要です。これらの問題を回避するために、ZhangらはGaN-on-siliconエピレイヤを基にしたフリップチップマイクロLEDディスプレイを示しました（次図I）。このディスプレイでは、固体Cu/Snスタックボンディング層が使用されています（次図JおよびK）。Si基板はSF6ベースのRIEプロセスを使用して完全に取り除くことができます。結果として、このボンディング方式により、マイクロディスプレイはクロストークがなく、高い安定性を持ち、低コストとなりました。また、Guoらはガラスバックプレーン上のマイクロLEDアレイを探求しました。フリップチップボンディングにより、GaN-LEDはSi基板からガラス基板に転写されました。また、絶縁材料としてSU-8が使用され、光クロストークを低減します。この方法は透明ディスプレイの実現に有利ですが、ボンディング時の応力制御は課題となります。

(A) Inバンプを使用したフリップチップボンディングによって作製されたマイクロLEDディスプレイの概略図および(B)実際の画像。 (C) マイクロLEDアレイチップの一部の拡大画像 [10]。 (D) マイクロチューブでボンディングされたマイクロLEDの概略図。 (E) 表面のSEM画像および(F)断面のトポグラフィ。 (G) ディスプレイアレイ内の単一のマイクロLEDがCMOSによって駆動されて光を放射します。 (H) 異方性導電ペースト（ACF）フィルム。 (I) Si成長基板の除去後の統合チップとマイクロLEDアレイの拡大画像。 (J) Cu/Snボンディング界面の光学的および(K) SEM断面画像。

完全なマイクロLEDアレイをフリップチップボンディングする代わりに、LEDエピタキシャル層をCMOSウェハに転写することは、代替的な統合デザインとなり得ます。先述のように、El-GhorouryらはCMOSバックプレーン上に3色（RGB）のLEDエピタキシャル層を積層したマイクロディスプレイを示しました。CMOSバックプレーンはピクセルにデジタル制御ロジックと電力を提供できるため、真のデジタルフルカラーマイクロディスプレイデバイスが得られます。彼らはこのデバイスを「量子光フォトニックイメージャー」と名付けました。

また、Zhangら[97,98]も4インチのSiベースICとIII-Vエピタキシャル層をウェハボンディングによって統合し、詳細なプロセスステップは次図Aに示されています。Siベースの垂直構造LEDの製造方法に類似して、まずLEDのエピタキシャル層をメタルボンディングによってSiベースのCMOSバックプレーンに転写し、その後LEDチップを製造してパターニングしました。なお、CMOSバックプレーンはSiO2経由孔を介して相互接続パッドが特別に設計されていました。ウェハボンディング中、パターニングされたp-電極を持つLEDのエピタキシャル層が相互接続パッドと位置合わせされ、接続されました。成長基板を取り除いた後のボンディングされたウェハは次図Bに示されています。ボンディング界面の断面SEM画像と完成したマイクロLEDアレイはそれぞれ次図CとDに示されています。エピタキシャル材料とデバイスウェハのボンディングにより、超高輝度の単色マイクロディスプレイ（解像度>5,000 PPI）が実現されました（次図E）。安定した製造プロセスのため、LEDエピタキシャルウェハをCMOS基板にボンディングするこの方式は、高性能マイクロディスプレイにおいて優れた産業展望を持っています。このようなマイクロディスプレイの解像度は、ドライエッチングプロセスの精度とメタルボンディング層の残留応力の制御に大きく依存します。

(A) ウェーハーレベルのボンディングプロセスによって製造されたマイクロLEDマイクロディスプレイの模式図。 (B) 成長基板が取り除かれた後の4インチGaN epi-on-ICテンプレートの写真。 (C) メタルボンディングインタフェースの断面のSEM画像。 (D) ICバックプレーン上に製造された5μmピクセルピッチのマイクロLEDアレイを示すSEM画像。 (E) 青色の> 5,000-PPIピクセル密度のマイクロディスプレイ。

トランジスタのチャネル材料をLEDウェーハーと統合することは、マイクロLEDとそのドライバ回路の統合を実現する別の実現可能なプロセス経路です。Tsuchiyamaらは、次図Aに示されるようなSi/SiO2/GaN-LEDウェーハーを開発しました。シリコン・オン・インシュレータ（SOI）基板は、表面活性化ボンディングによってGaNベースのLEDウェーハーと統合され、ナノ接着層としてSiインターレイヤーが埋め込まれています。詳細なボンディングプロセスは次図Bに示されています。SOI基板からSiハンドル層を取り除いた後、残留したボンディングされたSi層はn型金属酸化物半導体界面効果トランジスタ（n-MOSFET）の製造に使用され、マイクロLEDは選択的エッチングによって露出されます。その後、n-MOSFETはモノリシックディスプレイシステムのドライバ回路としてマイクロLEDと水平に接続されました。このボンディング手法は、モノリシックハイブリッドアクティブマイクロディスプレイを実現するための新しいアイデアを提供します。

最近、Mengらは2D材料トランジスタマトリックスによって駆動されるマイクロLEDディスプレイを発表しました（次図C）。サファイア基板上に成長した均一な単層のMoS2を駆動トランジスタの伝導チャネルとして使用しました。転写されたAu膜は、90℃での軽度な加熱後にMoS2膜と固有結合を形成し、その後、MoS2/Au二層はバンデルワールス力によってパッシベートされたマイクロLEDアレイに接合されます。MoS2膜はリソグラフィによってパターニングされ、ドライエッチされました。MoS2トランジスタの電極は水性KI溶液を用いてパターニングできるAu膜を使って現地形成することができます。詳細なプロセス手順は次図Dに示されています。最後に、MoS2トランジスタで構築された駆動回路はエッチングビアホールを介して垂直に接続され、1,270 PPIのアクティブマトリクスマイクロLEDディスプレイが実証されました。このチャネル材料を直接導入して駆動ユニットを準備する方法は、マイクロLEDディスプレイの準備プロセスを簡素化しますが、大面積のチャネル材料の均一性がマイクロLEDディスプレイの均一性の前提です。

(A) SOIウェハとGaN LEDウェハのボンディング統合の模式図、(B) そのプロセスステップ。

以上を要約すると、フルカラーディスプレイや統合ドライバ回路に使用される場合、ボンディング統合には2つのプロセスパスがあります。すなわち、ボンディングプロセスの前後にデバイスを準備する方法です。

デバイスをボンディング前に製造する方法では、アライメントの精度に制約されて高解像度のマイクロLEDディスプレイを得ることは困難です。デバイスをボンディング後に製造する場合、リソグラフィの精度に依存したピクセルサイズは、CMOSプロセスのスケーリングダウンと同様に縮小し続ける可能性があります。したがって、ボンディングファーストの製造技術は、高解像度かつ高スループットのマイクロLEDディスプレイに有利です。また、ボンディング材料の安定性と後続プロセスとの互換性が確保されている必要があります。ウェハボンディング統合は高解像度ディスプレイの製造を容易にしますが、ディスプレイの面積は本来的にエピタキシャルウェハのサイズに制限されます。したがって、ウェハボンディング統合は小規模なウェアラブルマイクロディスプレイの製造に適しています。