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晶能光电:Mini/Micro LED时代,硅衬底GaN大有所为

来源:化合物半导体市场 更新日期:2021-12-16 作者:林细凤

    对于Mini/Micro LED显示技术而言,迈向下一代高能效世代的一个重要步骤在于创新技术、创新材料,从而实现更高的功效、更小的尺寸、更轻的重量、更低的总体成本。

    作为提供高端LED照明、微显示和GaN HEMT器件材料产品及解决方案的高科技公司,晶能光电对氮化镓材料进行了深入的研究,并将该材料与Mini/Micro LED显示技术进行了较好的融合。在2022集邦咨询化合物半导体新应用前瞻分析会上,晶能光电外延研发经理郭啸介绍了晶能光电在硅衬底氮化镓Mini/Micro LED显示技术上的研发进展。

晶能光电外延研发经理 郭啸

硅衬底垂直芯片技术实现低成本高可靠性的MiniLED

    郭啸指出,从市场角度而言,Mini LED已见曙光,三星、LG、小米、TCL、乐视等均已推出量产型Mini LED终端产品。但就目前的技术发展水平而言,Mini LED产品的价格仍然较高,不利于产品的推广,产业链亟待进一步降低成本。

    目前,RGB小间距显示屏的实现方案主要有三种:

    水平方案:R采用垂直芯片,G、B采用普通正装水平芯片;

    垂直方案:R、G、B都可以采用垂直芯片,其中G、B采用硅衬底垂直芯片;

    倒装方案:R、G、B都采用倒装芯片。

    郭啸介绍,在P1.25-P0.9之间主要以1010方案为主,其中,普通TS方案因价格低而占有主要市场,而垂直方案和倒装方案则竞争于高端应用市场。就目前发展水平而言,垂直芯片方案封装工艺成熟度高,且现有封装厂的设备可以完全通用,而倒装方案不仅需要增加大批设备,且芯片价格高——据了解,垂直芯片的成本是倒装芯片的一半。

    在P1.25-P0.9之间,普通的TS方案难以保证良率及突破物理空间的限制,因此只能采用垂直方案和倒装方案。其中垂直方案的成本较低。

    在P0.6-P0.3之间,普通的倒装方案难以实现,而薄膜倒装芯片可以通过去除衬底,在两个PAD之间蒸发20um左右高度的锡柱,进而制成厚度为3-5μm的薄膜芯片,搭配QD量子点膜、KSF荧光粉或者硅基GaN红光,可以实现P0.6-P0.3的间距。

    目前,垂直结构RGB技术的潜力已在显示领域得到充分体现。郭啸介绍,与水平方案相比,垂直方案具有以下优点:

    从显示效果而言,垂直芯片因为单面发光,无侧光,相较于水平芯片,随着间距的变小,垂直芯片的光干扰更少,而且间距越小,亮度损失越少。同时,垂直芯片在显示清晰度方面有明显优势,动态展示上也更加逼真。

    从良率角度而言,受温度、湿度、电位差和电极材料等因素影响,水平芯片更容易发生离子迁移,进而导致屏幕黑点,而晶能光电垂直芯片具有抗离子迁移能力,则不会出现这样的问题。郭啸还表示,经实验,晶能光电的垂直芯片在常温盐水浸泡实验中,500小时老化后依然不会失效。

    另外,垂直芯片方案还具有电流分布更均匀,I-V曲线一致性好,发光一致性高,可少打两根线,散热更好等优势。

    晶能光电在Mini LED显示技术上进行了广泛而深入的研究。据悉,晶能光电在2018年下半年开始开发Mini RGB显示屏,采用的是5×5mil硅衬底垂直芯片,发光区为90×90μm。2020年7月份,晶能光电正式实现Mini RGB芯片的量产,截至目前量产芯片可以达到4.2×4.2mil。

    根据不同的点间距,晶能光电采用不同的硅衬底垂直芯片应用方案。其中,P1.25采用chip1010/0808方案;P1.25-P0.9之间采用Top1010方案;P0.9采用4合1方案;P0.6采用COB方案。

    目前,晶能光电正在开发P0.6-P0.3间距的解决方案。在P0.6-P0.3阶段,晶能光电采用了TFFC芯片(薄膜倒装LED芯片或者去衬底倒装LED芯片,全称thin film flip chip,简称TFFC)。

    据介绍,蓝宝石衬底技术是目前LED制备过程中较为成熟的产业化技术之一,但蓝宝石衬底硬度高,散热差,只能采用激光剥离的方式去衬底,用蓝宝石衬底制作大功率LED、TFFC时,局限性很大。晶能光电在硅衬底GaN技术上深耕多年,而硅衬底可以采用湿法腐蚀去衬底,其成本更低、良率更高、稳定性更高,在制作TFFC芯片等方面有很大优势。

    在芯片的制作过程中,随着芯片尺寸的缩小,传统的AlGaInP红光LED因去衬底后机械性能较差,在转移过程中容易碎裂,很难进行后续的工艺生产。技术方案主要有两种。

    一是RGB三色均采用InGaN TFFC LED芯片,以保证RGB三色LED外延、芯片制程的统一。郭啸指出,硅基InGaN红光LED在研发上的巨大突破为该技术提供了实现的可能。

    二是TFFC芯片+量子点/KSF红光的方案,即采用印刷、喷涂、打印等技术,在蓝光LED表面放置量子点或者KSF荧光粉得到红色的LED。

    量产进度及规划上,晶能光电已于2020年7月实现P1.25-P0.7的量产;2021年7月实现了P1.25-P0.6的量产,预计在2023年12月可实现P0.6-P0.3的量产,届时将采用2×4mil的TFFC芯片。

大尺寸硅基GaN是实现Micro LED的捷径

    Micro LED具有十分优秀的显示性能,但目前仍存在诸多尚未解决的问题,而硅衬底的出现为Micro LED的研发提供了新思路。

    与蓝宝石衬底相比,硅衬底具备价格低、尺寸大、翘曲小、易做片间bonding等优势。同时,晶能光电硅衬底的buffer层可以精确控制翘曲,提高波长集中度,改善波长均匀性更好,其8英寸波长std可以做到2nm,最低可以做到1nm以下。此外,在衬底剥离方式上,硅衬底可采用干法或湿法腐蚀,工艺简单,成本低、良率高,稳定性好。

    郭啸指出,对于外延来说,Mini/Micro LED显示对波长良率、I-V曲线一致性等有着较为苛刻的要求。目前各大产业链企业多采用QD显示技术,其中一个原因就是蓝光LED外延具有优秀的均匀性。

    但在同样的设备、衬底等条件下,硅基UVA(365-370nm)产品的出现为行业提供了另一种思路。郭啸介绍,采用硅衬底UVA Micro LED搭载三色QD荧光粉,其优点主要有两个,一是UVA波长良率更高,二是可避免蓝光与红、绿光响应速度的差异。但这一方案仍需解决荧光粉的问题,并防止UVA对人体的危害。

    众所周知,红光LED是Micro LED技术的重大瓶颈之一。现有的磷化镓基红光LED主要存在以下缺点:

    在其芯片尺寸从毫米减小至微米后,光效将从50%以上急剧下降至1%以下;

    磷化镓材料力学性能差,在转移过程中易脆,大大加重了巨量转移的难度;

    磷化镓基LED器件性能温度稳定性差;

    磷化镓的材料体系与蓝、绿光Micro LED不兼容。

    因此,开发高效的氮化镓基红光Micro LED成为当务之急。而晶能光电在氮化镓基红光Micro LED开发上已取得重大突破。

    Micro LED的一个主流研究方向是用硅衬底GaN LED去衬底技术。由于硅衬底氮化镓与硅半导体晶圆的物理兼容性,可以最大效能利用晶能光电的现有资源,同时避开巨量转移问题,晶能光电优先着力于Micro LED微显示研究,将硅基GaN与硅基CMOS驱动电路进行晶圆级邦定,去除硅衬底后在CMOS晶圆上继续GaN芯片工艺。研究路线方面,则先进行单色Micro LED阵列,后进行全彩化,应用方向则集中在AR/VR/HUD/HMD等。

    2021年9月,晶能光电成功制备出红、绿、蓝三基色硅衬底Micro LED阵列,在Micro LED全彩芯片的开发上迈出关键的一步。目前,晶能光电硅衬底InGaN红绿蓝Micro LED阵列的像素点间距为14微米,像素密度达到1800 PPI。

    第三代半导体是国家2030规划和“十四五”国家研发计划确定的重要发展方向,被视作我国半导体产业弯道超车的机会。

    晶能光电专注于硅衬底氮化镓技术近二十年,在全球率先实现了硅衬底GaN基LED的产业化。随着GaN在5G、快充、Mini/Micro LED等更多领域的迅速崛起,晶能光电将为客户创造更大的价值。(文:化合物半导体市场 林细凤)

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