Micro-LED

Eine neue Displaygeneration – bereit, den Markt zu erobern

Mehr Schärfe, mehr Kontrast, mehr Brillanz aber geringerer Energieverbrauch: Das sind die Ansprüche, die nicht nur neue Geräteklassen an die Displays von morgen stellen. Micro-LEDs können diese Wünsche erfüllen – doch ihre Produktion stellt die Ingenieure vor enorme Herausforderungen. AIXTRON hat Wege gefunden, sie zu lösen.

Es ist noch gar nicht so lange her, dass es in einem typischen Haushalt gerade einmal zwei Farbdisplays gab: das Fernsehgerät und den Bildschirm des Heimcomputers. Dann gestattete es die Miniaturisierung der Technologie, entsprechende Anzeigen auch in tragbaren Geräten zu verbauen: Portable Spielkonsolen wurden möglich und erlebten einen enormen Boom. Die ersten Handys, noch mit grober Bildschirmauflösung, gaben uns einen ersten Vorgeschmack auf die kommende mobile Kommunikationsfreiheit. Und schließlich traten vor etwas mehr als zehn Jahren die Smartphones ihren Siegeszug an: Die kleinen „Immer-dabei-Computer“ veränderten unsere Welt. Längst haben wir uns daran gewöhnt, permanent mit Informationen von Mobilgeräten versorgt zu werden, ganz gleich, wo wir gerade sind.

Selbst Alltagsgeräte – von der Schreibtischlampe bis zum Backofen, vom Fahrrad bis zum Auto – werden immer „smarter“

Trotz der heutigen Allgegenwart tragbarer Digitaltechnik steht diese Entwicklung noch an ihrem Anfang: Selbst Alltagsgeräte – von der Schreibtischlampe bis zum Backofen, vom Fahrrad bis zum Auto – werden immer „smarter“. Das heißt: Sie erheben und verarbeiten Daten und vernetzen sich im Internet der Dinge. Und sie haben uns immer mehr mitzuteilen: Küchengeräte leiten uns mit Rezepten durch den Zubereitungsprozess, Smartwatches und Fitnesstracker informieren uns über Bewegungsdaten, Körperwerte und Trainingsfortschritt, bieten Chatfunktionen, Spiele und vieles mehr. 

Je mehr wir so mit Alltagsgegenständen (und sie mit uns) kommunizieren, desto größer wird der Bedarf an Displays, die diese Vielfalt an Informationen auf kleinstem Raum darstellen. Zudem wachsen die Ansprüche, die wir an die Display-Technologie stellen.

Mehr Brillanz dank innerer Strahlkraft

Bis heute dominieren Flüssigkristalldisplays – also LCDs – den Markt. LED, d. h. lichtemittierende Dioden, kommen dabei lediglich als weiße Variante zur Hintergrundbeleuchtung zum Einsatz. Zwar lassen sich auch schon lange farbige LEDs herstellen, die jeweils zu dritt (in den RGB-Farben Rot, Grün und Blau) zu einem Pixel eines Farbdisplays gruppiert werden können. Wegen der Größe dieser LED-Gruppen eignet sich das System aber nur für Großbildschirme, z. B. als Werbetafel oder Anzeige im Stadion.

Die Industrie hegt schon lange den Wunsch nach LED-Technologie, die sich soweit verkleinern lässt, dass sie auch in Unterhaltungselektronik – besonders in Mobilgeräten – nicht nur zur Beleuchtung, sondern auch zur eigenständigen Darstellung von Inhalten in natürlichen Farben verwendet werden kann. Und noch ein weiteres Kriterium ist immens wichtig: ein möglichst geringer Energieverbrauch. Schließlich macht auch die spannendste Technik-Innovation ihrem Anwender wenig Spaß, wenn die Batterie bereits nach wenigen Stunden neu aufgeladen werden muss.

Bereits seit einer Weile sind OLEDs (Organic Light Emitting Diode) verfügbar – LEDs aus organisch halbleitenden Materialien, die selbst leuchten, also keine Hintergrundbeleuchtung benötigen. OLEDs haben hervorragende Schwarzwerte und bilden ein breites Farbspektrum ab. Sie sind allerdings derzeit noch recht teuer in der Herstellung, nicht sehr hell, leiden unter bestimmten Bedingungen unter Einbrenneffekten und erreichen noch nicht die Lebensdauer konventioneller Displays.

Der heißeste Anwärter auf die Spitzenposition am Markt ist daher ein neuer Konkurrent – die Micro-LED: Gegenüber der aktuellen Display-Technologie bietet sie eine höhere Pixeldichte, eine längere Lebensdauer, mehr Helligkeit, eine höhere Schaltgeschwindigkeit und ein breiteres Farbspektrum – alles Vorteile, die sie wegweisend für eine Vielzahl heutiger und künftiger Anwendungsszenarien machen. Ganz besonders zeichnet sich die Micro-LED zudem durch ihren sehr geringen Energieverbrauch aus – ein Umstand, der sie besonders für kommende Generationen kleiner Mobilgeräte mit wenig Platz für Batterien geradezu prädestiniert.

Kein Wunder also, dass sich praktisch alle großen Display-Hersteller jetzt für die Zukunft rüsten und nach Produktionsverfahren fahnden, die ebenso zuverlässig wie wirtschaftlich sind.

Eine große Chance – und noch größere Herausforderungen

AIXTRON treibt in Herzogenrath bei Aachen seit Jahren die Entwicklung entsprechender Fertigungsanlagen voran, die auch für Micro-LEDs verwendbar sind, und nimmt dabei eine entscheidende Vorreiterrolle für die Produktion dieser nächsten Display-Generation ein. 

Wie herkömmliche LEDs, werden auch Micro-LEDs im MOCVD-Verfahren (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) gefertigt: Die Halbleiter werden – atomare Schicht für atomare Schicht und dabei atomlagendünn – auf das Trägermaterial aufgebracht. Herzstück der AIXTRON-Produktionsanlagen ist der Planetenreaktor: Ein Horizontalflussreaktor mit einem Ring aus mehreren Wafern, die wie Satelliten den zentralen Gaseinlass umkreisen. Dabei kommt das Gas-Foil-Rotation®-Verfahren zum Einsatz, das ein absolut gleichförmiges Wachstum der Strukturen aus den III-V-Materialien Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlInGaP) auf den Wafern ermöglicht.

Micro-LEDs stellen im Vergleich zu konventionellen LEDs Anforderungen an den Produktionsprozess, die um ein Vielfaches anspruchsvoller sind. Bislang führte in der LED-Fertigung ein einzelnes Partikel in der Reaktorkammer zu einem Defekt an einem einzelnen Chip (einem Teilstück des Wafers) unter tausenden. Für die Produktion herkömmlicher LEDs sind einige hundert Defekte pro Wafer kein Nachteil. Diese Defekte werden im Rahmen eines automatisierten Prozesses einfach aussortiert. In der Herstellung von Micro-LEDs ist dieses Vorgehen nicht mehr praktikabel. Hier werden in einem speziellen Pick-and-Place-Verfahren jeweils abertausende wenige Mikrometer große LED-Chips (Arrays) aufgegriffen und übertragen. Jeder Defekt führt zu einem toten Pixel, der nicht ersetzt werden kann, und somit den ganzen Bereich unbrauchbar macht. Es ist daher ein nahezu fehlerfreier Prozess notwendig, der Defekte so weit minimiert, dass eine Ausbeute erzielt wird, die die wirtschaftlich sinnvolle Produktion von Micro-LEDs zulässt.

Die Lösung der AIXTRON-Ingenieure ist ein Verfahren, bei dem das Innere der Prozesskammer durch ein spezielles, sogenanntes In-situ-Ätzverfahren für den Mikro-LED-Produktionsprozess vorbereitet wird. Durch diese Reinigung sowie ein voll automatisiertes Handling der Wafer – ein Vorgang, den man Cassette-to-Cassette-Handling nennt – kann die Defektrate auf unter 0,1 Defekte/cm² reduziert werden. Die Anlage von AIXTRON verfügt zudem als weltweit einziges Produktionssystem auf dem Markt über erweiterte Funktionen wie eine On-Wafer-Homogenitätskontrolle und eine Wafer-Level-Temperaturkontrolle, bei der die Wafer mittels Auto-Feed-Forward automatisch hochpräzise thermisch vermessen werden und eine automatische Re-Kalibrierung der Prozesskammer erfolgt.

Dank dieser fortschrittlichen Methoden steigt die Ausbeute an verwendbaren Chip-Arrays dramatisch an – so wird die Produktion der Micro-LEDs mit ihren hohen Qualitätsanforderungen überhaupt erst möglich.

Der Markt wartet schon

Heute sind Geräte mit Micro-LED-Technologie für den breiten Konsumentenmarkt noch nicht verfügbar. Doch die Marktreife steht kurz bevor. Als sicher gilt: Wer als Anbieter von Unterhaltungselektronik auch in Zukunft seine Kunden mit aufregenden neuen Produkten begeistern will, wird um das Thema „innovative Display-Technologie“ kaum herumkommen. Die Vorteile, die die neue Display-Generation gegenüber konventionellen Anzeigetechnologien bietet, sind so gewaltig, dass es sich kein Hersteller leisten kann, sie zu ignorieren.

Zunächst werden die neuen Displays vermutlich in Wearables – also in Smartwatches und Fitnesstrackern – zum Einsatz kommen. Sie bieten den idealen Einstieg, da sie wegen ihrer hochkompakten Bauform mit geringen Displaygrößen auskommen müssen, eine hohe Pixeldichte benötigen und mit ihren kleinen Batterien extreme Ansprüche an die Energieeffizienz stellen. Ein weiterer Markt, der sehnsüchtig auf die neue Technologie wartet, ist der für Virtual-Reality- und Augmented-Reality-Anwendungen. Wer hier zuerst ein Headset anbietet, das durch die Verwendung von Micro-LED deutlich leichter ist als vergleichbare Modelle und dank geringer Leistungsaufnahme über Stunden kabellos betrieben werden kann, gewinnt einen klaren Vorsprung gegenüber der Konkurrenz.

Und schließlich ist auch die Königsklasse der Unterhaltungselektronik bereit für eine weitere Display-Revolution: Wenn die Produktion erst so weit standardisiert ist, dass eine Massenfertigung selbst sehr großer Panels zu vertretbaren Kosten möglich wird, dürften auch die Hersteller von Bildschirmen fürs heimische Wohnzimmer auf Micro-LED umrüsten – denn der Markt für ultraflache, energiesparende Geräte mit brillantem, blickwinkelunabhängigen Bild ist riesig.

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