Mini- und Mikro-LEDs

Schlüsselprozess verbessert

4. März 2022, 14:00 Uhr | Markus Haller
Mikro-LED-Displays können auf zwei Wegen gefertigt werden. Einer davon muss durch hochentwickelte Bestücker aufgeschlossen werden. Wie das gehen kann, zeigt das Beispiel Kulicke & Soffa.
Mikro-LED-Displays können auf zwei Wegen gefertigt werden. Einer davon muss durch hochentwickelte Bestücker aufgeschlossen werden. Wie das gehen kann, zeigt das Beispiel Kulicke & Soffa.
© AdobeStock

Der Fertigungsausrüster Kulicke & Soffa hat den Transferprozess für Mini-LEDs deutlich verbessert und entwickelt das Verfahren nun für Mikro-LEDs in seinem niederländischen F&E-Zentrum weiter.

Der Massen-Transfer gilt als wichtiger Schlüssel zu Mikro-LED-Displays – und es gibt noch weitere Entwicklungsfelder.

Weltweit arbeiten Hunderte von Unternehmen, Forschungsinstituten und Hochschulen an Mikro-LEDs für Displays. Sie nutzen halbleiterbasierte LEDs als Display-Pixel. Damit können sie theoretisch deutlich heller, effizienter und robuster als aktuelle LC- und OLED-Displays ausfallen. Auch die erreichbare Pixeldichte ist deutlich höher, was sie für VR- und AR-Brillen interessant macht.

Für Mikro-LED-Displays müssen im Wesentlichen die halbleiterbasierten LEDs aus der Beleuchtungstechnik so weit verkleinert werden, dass sie sich als Pixel für Grafikdisplays eignen, die in Smartwatches, Smartphones und Fernseher integriert werden. Was zunächst nach einer überschaubaren Weiterentwicklung der LED-Technik klingen mag, ist in Wirklichkeit ein deutlich dickerer Anforderungskatalog.

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Mikro-LED-Display-Patente nach technischer Funktion.
Bild 1: Patent-Familien für Mikro-LED-Displays, sortiert nach Technologieknoten nach dem Stand vom Januar 2020. Die drei größten Arbeitsfelder sind Massen-Transfer, Pixel & Display-Aufbau sowie Chip-Strukturierung & Fertigung.
© Yole Développement

Forschungsfelder für Mikro-LEDs

Ansätze zur Entwicklung gibt es mehrere, ein Erfolgsrezept hat sich dabei noch nicht herauskristallisiert. Über den besten technischen Ansatz zur Fertigung von Mikro-LED-Displays gibt es noch keinen Konsens und auch nicht darüber, wo überhaupt die größten Arbeitsfelder liegen, schreiben die drei Autoren Zhen Chen, Shuke Yan und Cameron Danesh in einem Übersichtsbeitrag im Journal of Physics aus dem Januar 2021. Einigkeit herrscht aber darüber, dass es noch viel zu tun gibt. Zum Beispiel bei den Epitaxie-Verfahren, mit denen Mikro-LEDs hergestellt werden. Mit den etablierten Verfahren sind die Schwankungen in der Emissionswellenlänge zwischen einzelnen LED-Chips, die auf dem gleichen Wafer hergestellt werden, noch zu hoch. Sie entstehen vor allem durch Temperaturschwankungen auf dem Wafer und sind umso schwerer zu beherrschen, je größer der Wafer wird.

Ein wichtiger Bereich ist die Miniaturisierung der LED-Chips. Damit Mikro-LED-Displays zu konkurrenzfähigen Preisen gefertigt werden können, müssen die LED-Seitenlängen stark verkürzt werden. Als Zielmarke nennen Forscher und Analysten rund 3 μm für ein Smartphone-Display mit Quad-HD-Auflösung (2560 x 1440) und immer noch 9 μm für einen Fernseher mit 4K-Auflösung. Diesen Grad an Miniaturisierung in einer Serienfertigung umzusetzen, davon ist man heute noch weit entfernt. Eine Hürde dabei ist die externe Quantenausbeute – also wie effizient eine LED elektrische Energie in Licht umwandelt und auch tatsächlich aus dem Chip abstrahlt. Verkürzt man die Seitenlängen einer LED, bricht ihre externe Quantenausbeute ein. Versuche an einer blau emittierenden LED mit ursprünglich 80 Prozent externer Quantenausbeute ergaben eine Reduktion um den Faktor drei bis vier, als ihre Seitenlängen auf 5 μm verkürzt wurden. Gegenmaßnahmen zum Effizienzabfall gibt es bereits. Sie sind Gegenstand der anwendungsnahen Forschung.

Trasobares David
David Trasobares Paris, Produktmanager für LED-Systeme bei Kulicke & Soffa: »Wer bei Mikro-LEDs erfolgreich sein will, der muss vorher eine gut funktionierende Lösung für Mini-LEDs vorweisen.«
© Kulicke&Soffa

Dass die LED-Miniaturisierung ein großes Entwicklungsfeld ist, zeigt ein Blick auf die Patentlandschaft: Yole Développement gibt an, dass von den 2533 Patentfamilien zu Mikro-LED-Displays rund 15 Prozent auf Verfahren zur LED-Chip-Strukturierung und LED-Chipfertigung entfallen (Bild 1). Weitere 24 Prozent der Patentfamilien ordnen die Yole-Analysten dem Bereich »Pixel & Display-Aufbau« zu. Genauer wird der Bereich nicht unterteilt, aber man kann davon ausgehen, dass viele Patente rund um die Pixel die LED-Miniaturisierung betreffen. So lässt sich abschätzen, dass insgesamt von den Patentierungsaktivitäten, die in den letzten Jahren zu Mikro-LED-Displays angestoßen wurden, rund ein Viertel auf die LED-Miniaturisierung abzielen. Damit stellt sie einen der größten Forschungsbereiche dar – zusammen mit dem Massen-Transfer.

Fokus auf Massen-Transferverfahren

Monolithisch oder Massen-Transfer? Hinter dieser Frage verbergen sich zwei grundverschiedene Fertigungsansätze. Beim monolithischen Ansatz werden die Mikro-LEDs direkt auf der Display-Backplane gefertigt mit dem Vorteil, dass die elektrische Kontaktierung der Display-Pixel dann bereits erledigt ist. Das bedeutet aber auch, dass die Epitaxie-Verfahren so gut beherrscht werden müssen, dass bei 100 Millionen gefertigten Mikro-LEDs, wie sie für einen großen Fernseher mit 8K-Auflösung nötig sind, nur eine Handvoll defekt sind. Damit muss die Fehlerrate praktisch auf null reduziert werden.

Beim Massen-Transfer werden die Mikro-LEDs auf einem Substrat hergestellt und von dort auf die Display-Backplane transferiert. Damit ist zwar ein – sehr anspruchsvoller und zeitraubender – zusätzlicher Fertigungsschritt verbunden, aber es bietet auch die Möglichkeit, um defekte LEDs auszusortieren. So lässt sich der hohe Qualitätsdruck auf die Epitaxie-Verfahren reduzieren. Aktuell werden sowohl der monolithische Ansatz als auch das Massen-Transferverfahren verfolgt. Die größeren Hoffnungen ruhen auf dem Massen-Transfer, wie ein weiterer Blick auf die Patentlandschaft zeigt: von den Patentfamilien entfallen 3 Prozent auf eine monolithische Fertigung und 24 Prozent auf (Massen-)Transfer- und Kontaktierungsverfahren. Dass sich ein Viertel aller Patentfamilien um Transferverfahren drehen, zeigt die hohe Bedeutung von effizienten Massen-Transferverfahren für die Fertigung von Mikro-LED-Displays. Innerhalb der Branche wird dieser Schritt als einer der wichtigsten Meilensteine angesehen.


  1. Schlüsselprozess verbessert
  2. Massen-Transfer deutlich verbessert

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