晶能光電：硅襯底GaN材料應(yīng)用大有可為

    10月9日-11日，由中國材料研究學(xué)會主辦的第四屆中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會在溫州隆重舉行，這是集中力量解決在關(guān)鍵核心領(lǐng)域新材料“卡脖子”問題的一次盛會。

    來自全國各地的6000余名新材料專家、企業(yè)家、投資家、當(dāng)?shù)馗叩仍盒：推笫聵I(yè)單位的代表以及51位兩院院士出席了本次大會。

    光電材料顯示分論壇，晶能光電副總裁付羿博士受邀分享了以《硅襯底GaN材料在光電器件中的應(yīng)用》為主題的報告，介紹了硅襯底GaN材料應(yīng)用與前景、硅襯底GaN基LED產(chǎn)業(yè)化以及硅襯底GaN基Micro-LED的最新進展。此外，本次大會晶能光電榮獲大會頒發(fā)的“創(chuàng)新型新材料企業(yè)”。

    GaN材料與應(yīng)用

    GaN寬禁帶半導(dǎo)體是開發(fā)新型顯示、高頻電力電子開關(guān)、和微波通訊器件的重要材料平臺�；�于不同襯底、生長技術(shù)、外延結(jié)構(gòu)的Ga(InAl)N材料體系分別用于產(chǎn)業(yè)化制備半導(dǎo)體激光器、射頻PA、功率HEMT、通用照明LED、新型顯示Micro-LED等等。

    大尺寸硅襯底GaN晶圓可以充分借助集成電路工藝和設(shè)備，實現(xiàn)高效率、高良率，低成本的精細化器件制程，并發(fā)揮與CMOS背板高度功能集成的潛力優(yōu)勢。但進入上述甜蜜區(qū)之前，大尺寸硅襯底GaN材料必須突破材料質(zhì)量、材料均勻性、表面潔凈度、晶圓翹曲等等產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵指標的挑戰(zhàn)。

    高質(zhì)量、大尺寸的硅襯底GaN晶圓生長的技術(shù)難點主要源于三個方面：硅襯底和GaN的晶格失配導(dǎo)致的高缺陷密度，熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致的張應(yīng)力、以及為避免Ga:Si反應(yīng)必須導(dǎo)入的厚AlN成核層。

    硅襯底GaN材料在中低功率的高頻HEMT和LED專業(yè)照明領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模商用�；�于硅襯底GaN材料的Micro LED微顯技術(shù)和低功率PA正在進行工程化開發(fā)。DUV LED、GaN LD以及GaN/CMOS集成架構(gòu)尚處于早期研究階段。

    硅襯底GaN基LED產(chǎn)業(yè)化

    晶能光電是全球首家實現(xiàn)硅襯底GaN基藍光LED產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，解決了硅襯底和GaN材料之間的兩大“失配”導(dǎo)致的關(guān)鍵技術(shù)難題。

    經(jīng)過17年的技術(shù)迭代創(chuàng)新，具備365-650nm全色系硅襯底GaN LED外延技術(shù)，晶能光電成為LED光源IDM全產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新者和產(chǎn)業(yè)推動者，成功將硅襯底GaN基LED應(yīng)用于汽車照明、手機閃光燈、智能穿戴、電視背光、移動照明、戶外照明、高清直顯等中高端細分領(lǐng)域。

    同時，晶能光電已開發(fā)出4-8英寸硅襯底GaN基紅\綠\藍Micro-LED外延技術(shù)，制得3μm Micro LED陣列樣品。

    12英寸硅襯底GaN外延進展

    Micro-LED在短、中期的主要市場驅(qū)動力是通過巨量轉(zhuǎn)移的中、大屏和可穿戴顯示。這一階段的芯片制備主要基于4英寸藍寶石襯底GaN晶圓和LLO技術(shù)。

    Micro-LED另一重要應(yīng)用場景是和CMOS底板直接鍵合的高PPI投影、輔助/虛擬現(xiàn)實設(shè)備的近眼顯示�；�于8英寸及以上的硅襯底GaN晶圓和CMOS底板、并借鑒成熟的IC工藝和設(shè)備，可以有效提高制程效率和良率，降低制造成本，推動Micro-LED微顯技術(shù)的應(yīng)用落地。

    不僅眾多初創(chuàng)企業(yè)在專注基于硅襯底GaN的Micro LED技術(shù)開發(fā)，中美日韓主要消費電子企業(yè)也都在這一新興領(lǐng)域積極布局，從4英寸工藝研發(fā)過渡到8英寸量產(chǎn), 最終升級到12英寸晶圓制程。

    付羿博士分享了晶能光電在12英寸硅襯底紅、綠、藍LED外延開發(fā)方面的進展，并展示了12英寸外延片的PL/XRD/AFM等具體材料測試數(shù)據(jù)。12英寸硅襯底外延片在室溫翹曲、裂紋控制、和材料質(zhì)量均勻性上展現(xiàn)了很好的工程化可行性。

    硅襯底GaN材料的前景和挑戰(zhàn)

    付羿博士介紹到，在硅襯底GaN上制備的DUV LED和激光器等報道展現(xiàn)了令人振奮的研究結(jié)果。但目前硅襯底GaN的材料質(zhì)量還是制約其實際應(yīng)用的拓展。DUV-LED的內(nèi)量子效率對位錯密度非常敏感。

    GaN激光器的效率和可靠性更加依賴GaN材料質(zhì)量，硅襯底GaN位錯密度典型值1~5E8 / cm2, 遠高于制備商業(yè)GaN激光器的自支撐GaN襯底(<1E6/cm2)。

    考慮到良率、成本、和實際效果等因素，常規(guī)的圖形襯底和在位插入層等技術(shù)并不合適于硅襯底GaN材料生長的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。大尺寸、高質(zhì)量的硅襯底GaN需要創(chuàng)新的生長技術(shù)，和針對硅襯底GaN光電器件開發(fā)的專用生長設(shè)備。

    結(jié)語

    不同的GaN器件各自對應(yīng)最佳的GaN材料/襯底體系，硅襯底GaN材料的潛力領(lǐng)域在于大尺寸、高集成、和細微化制程，作為AR設(shè)備核心組件的Micro LED微顯有望成為硅襯底GaN技術(shù)的重大市場機遇。

    晶能光電堅信硅襯底GaN技術(shù)的廣闊前景，并且希望能與業(yè)內(nèi)同行一道推動行業(yè)發(fā)展。