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晶能光电:大尺寸硅衬底GaN基Micro LED产业化道路

时间:2024-05-24 来源: 点击:479

      5月20-22日,以“空间无界,数字交互”为主题的2024微显示产业交流暨XR生态活动在珠海隆重举行。

      本次活动呈现了由顶级院士领衔、三大技术领域、30余位企业高层嘉宾、50+核心议题的高规格论坛,同时汇聚了多家产业链知名企业。

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      晶能光电外延工艺高级经理周名兵携《大尺寸硅衬底GaN基Micro LED产业化道路》应邀出席了活动,并分享了硅衬底GaN材料在光电领域应用概况、大尺寸硅衬底GaN基Micro-LED发展及晶能光电大尺寸外延发展现状。

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硅衬底GaN材料在光电领域应用


     GaN(氮化镓)是第三代半导体材料,基于不同衬底、生长技术、外延结构,可用于制备半导体激光器、射频PA、功率HEMT、照明LED、Micro-LED等,应用前景广阔。

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       硅衬底GaN材料具有大尺寸衬底价格优势,可以充分借助集成电路工艺和设备,实现高效率、高良率,低成本的精细化器件制程,并具有与CMOS背板高度功能集成的潜力优势。但在进入产业化之前,还必须在材料质量、材料均匀性、外观缺陷、晶圆翘曲等关键性指标上取得突破,而这些问题主要来自于硅衬底和GaN的晶格失配导致的高缺陷密度,热膨胀系数失配导致的张应力以及Ga:Si反应所引起。

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      目前,硅衬底GaN材料在中低功率的高频HEMT和LED专业照明领域已实现规模化应用,同时随着AR/VR、车载HUD、矩阵车灯、智能穿戴、光通信等领域的快速发展,基于硅衬底GaN材料的Micro-LED微显技术和低功率PA正在加速工程化开发,DUV LED、GaN LD以及GaN/CMOS集成架构也在早期研究当中。

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大尺寸硅衬底GaN基Micro-LED发展


      大尺寸硅衬底GaN 基Micro-LED的主要应用场景是和CMOS底板直接键合的高PPI投影、辅助/虚拟现实设备的近眼显示,它是基于8英寸及以上的GaN-on-Si晶圆和CMOS底板、并借鉴成熟的IC工艺,优势在于大尺寸、低成本、高波长一致性、无损去除、低翘曲、CMOS兼容性等等,可以有效提高制程效率和良率,降低制造成本。

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      因此,Micro-LED芯片发展也将从4英寸工艺研发过渡到8英寸量产, 最终升级到12英寸晶圆制程。国内外众多初创企业都在专注基于硅衬底GaN的Micro-LED技术开发,中、美、日、韩等主要消费电子企业也都在这一新兴领域积极布局。



晶能光电大尺寸硅衬底GaN外延发展现状


      为获得高质量硅衬底GaN外延,公司采用异质外延的应力积累和释放模型优化生长,创新的利用晶格应力诱导位错反应,在总外延层厚度5μm条件下,可以稳定重复的生长位错密度~1.5E8/cm2的硅衬底GaN外延层;同时,采用薄buffer技术,获得超过8μm的GaN 外延,膜厚均匀性好。

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        目前,晶能光电已具备365-650nm全色系硅衬底GaN LED外延技术,并开发出4-12英寸硅衬底GaN基红\绿\蓝Micro-LED外延,可提供标准厚度产品级8inch CMOS匹配的高质量外延片。公司规模量产的蓝光、绿光硅衬底大功率垂直LED芯片的峰值外量子效率分别达到了85%和50%以上,在车用照明、移动照明、消费电子等领域得到广泛使用。

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(晶能光电突破12英寸硅衬底三基色Micro LED外延关键技术)


      Micro-LED另一个重要应用方向是万级像素矩阵车灯和车载HUD,这两个应用都需要超大的工作电流密度,晶能光电针对这个应用开发的蓝光Micro-LED外延结构,在1000A/cm2下能够实现20%以上的外量子效率,为矩阵车灯和车载HUD应用奠定了基础。

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       目前,红光LED依然是Micro-LED技术的重大瓶颈之一,AlGaInP存在效率低的问题,GaN基红光可实现全GaN体系,同时驱动设计具备一致性。不过,GaN红光在效率、FWHM、波长漂移等方面还面临着重大的挑战,但随着产、学、研界广泛的开发投入,不断有新的方向和工艺设备升级等,预计会有持续的突破。

      面向未来,硅衬底GaN技术的潜力领域在于大尺寸、高集成和细微化制程, Micro-LED微显也有望成为硅衬底GaN技术的重大市场机遇,晶能光电专注于硅衬底GaN LED材料的开发,希望和业界上下游企业开展Micro-LED应用合作,共同推动行业的发展。


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