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    晶能光電:Mini/Micro LED時代,硅襯底GaN大有所為

    來源:化合物半導體市場 更新日期:2021-12-16 作者:林細鳳

        對于Mini/Micro LED顯示技術而言,邁向下一代高能效世代的一個重要步驟在于創新技術、創新材料,從而實現更高的功效、更小的尺寸、更輕的重量、更低的總體成本。

        作為提供高端LED照明、微顯示和GaN HEMT器件材料產品及解決方案的高科技公司,晶能光電對氮化鎵材料進行了深入的研究,并將該材料與Mini/Micro LED顯示技術進行了較好的融合。在2022集邦咨詢化合物半導體新應用前瞻分析會上,晶能光電外延研發經理郭嘯介紹了晶能光電在硅襯底氮化鎵Mini/Micro LED顯示技術上的研發進展。

    晶能光電外延研發經理 郭嘯

    硅襯底垂直芯片技術實現低成本高可靠性的MiniLED

        郭嘯指出,從市場角度而言,Mini LED已見曙光,三星、LG、小米、TCL、樂視等均已推出量產型Mini LED終端產品。但就目前的技術發展水平而言,Mini LED產品的價格仍然較高,不利于產品的推廣,產業鏈亟待進一步降低成本。

        目前,RGB小間距顯示屏的實現方案主要有三種:

        水平方案:R采用垂直芯片,G、B采用普通正裝水平芯片;

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

        倒裝方案:R、G、B都采用倒裝芯片。

        郭嘯介紹,在P1.25-P0.9之間主要以1010方案為主,其中,普通TS方案因價格低而占有主要市場,而垂直方案和倒裝方案則競爭于高端應用市場。就目前發展水平而言,垂直芯片方案封裝工藝成熟度高,且現有封裝廠的設備可以完全通用,而倒裝方案不僅需要增加大批設備,且芯片價格高——據了解,垂直芯片的成本是倒裝芯片的一半。

        在P1.25-P0.9之間,普通的TS方案難以保證良率及突破物理空間的限制,因此只能采用垂直方案和倒裝方案。其中垂直方案的成本較低。

        在P0.6-P0.3之間,普通的倒裝方案難以實現,而薄膜倒裝芯片可以通過去除襯底,在兩個PAD之間蒸發20um左右高度的錫柱,進而制成厚度為3-5μm的薄膜芯片,搭配QD量子點膜、KSF熒光粉或者硅基GaN紅光,可以實現P0.6-P0.3的間距。

        目前,垂直結構RGB技術的潛力已在顯示領域得到充分體現。郭嘯介紹,與水平方案相比,垂直方案具有以下優點:

        從顯示效果而言,垂直芯片因為單面發光,無側光,相較于水平芯片,隨著間距的變小,垂直芯片的光干擾更少,而且間距越小,亮度損失越少。同時,垂直芯片在顯示清晰度方面有明顯優勢,動態展示上也更加逼真。

        從良率角度而言,受溫度、濕度、電位差和電極材料等因素影響,水平芯片更容易發生離子遷移,進而導致屏幕黑點,而晶能光電垂直芯片具有抗離子遷移能力,則不會出現這樣的問題。郭嘯還表示,經實驗,晶能光電的垂直芯片在常溫鹽水浸泡實驗中,500小時老化后依然不會失效。

        另外,垂直芯片方案還具有電流分布更均勻,I-V曲線一致性好,發光一致性高,可少打兩根線,散熱更好等優勢。

        晶能光電在Mini LED顯示技術上進行了廣泛而深入的研究。據悉,晶能光電在2018年下半年開始開發Mini RGB顯示屏,采用的是5×5mil硅襯底垂直芯片,發光區為90×90μm。2020年7月份,晶能光電正式實現Mini RGB芯片的量產,截至目前量產芯片可以達到4.2×4.2mil。

        根據不同的點間距,晶能光電采用不同的硅襯底垂直芯片應用方案。其中,P1.25采用chip1010/0808方案;P1.25-P0.9之間采用Top1010方案;P0.9采用4合1方案;P0.6采用COB方案。

        目前,晶能光電正在開發P0.6-P0.3間距的解決方案。在P0.6-P0.3階段,晶能光電采用了TFFC芯片(薄膜倒裝LED芯片或者去襯底倒裝LED芯片,全稱thin film flip chip,簡稱TFFC)。

        據介紹,藍寶石襯底技術是目前LED制備過程中較為成熟的產業化技術之一,但藍寶石襯底硬度高,散熱差,只能采用激光剝離的方式去襯底,用藍寶石襯底制作大功率LED、TFFC時,局限性很大。晶能光電在硅襯底GaN技術上深耕多年,而硅襯底可以采用濕法腐蝕去襯底,其成本更低、良率更高、穩定性更高,在制作TFFC芯片等方面有很大優勢。

        在芯片的制作過程中,隨著芯片尺寸的縮小,傳統的AlGaInP紅光LED因去襯底后機械性能較差,在轉移過程中容易碎裂,很難進行后續的工藝生產。技術方案主要有兩種。

        一是RGB三色均采用InGaN TFFC LED芯片,以保證RGB三色LED外延、芯片制程的統一。郭嘯指出,硅基InGaN紅光LED在研發上的巨大突破為該技術提供了實現的可能。

        二是TFFC芯片+量子點/KSF紅光的方案,即采用印刷、噴涂、打印等技術,在藍光LED表面放置量子點或者KSF熒光粉得到紅色的LED。

        量產進度及規劃上,晶能光電已于2020年7月實現P1.25-P0.7的量產;2021年7月實現了P1.25-P0.6的量產,預計在2023年12月可實現P0.6-P0.3的量產,屆時將采用2×4mil的TFFC芯片。

    大尺寸硅基GaN是實現Micro LED的捷徑

        Micro LED具有十分優秀的顯示性能,但目前仍存在諸多尚未解決的問題,而硅襯底的出現為Micro LED的研發提供了新思路。

        與藍寶石襯底相比,硅襯底具備價格低、尺寸大、翹曲小、易做片間bonding等優勢。同時,晶能光電硅襯底的buffer層可以精確控制翹曲,提高波長集中度,改善波長均勻性更好,其8英寸波長std可以做到2nm,最低可以做到1nm以下。此外,在襯底剝離方式上,硅襯底可采用干法或濕法腐蝕,工藝簡單,成本低、良率高,穩定性好。

        郭嘯指出,對于外延來說,Mini/Micro LED顯示對波長良率、I-V曲線一致性等有著較為苛刻的要求。目前各大產業鏈企業多采用QD顯示技術,其中一個原因就是藍光LED外延具有優秀的均勻性。

        但在同樣的設備、襯底等條件下,硅基UVA(365-370nm)產品的出現為行業提供了另一種思路。郭嘯介紹,采用硅襯底UVA Micro LED搭載三色QD熒光粉,其優點主要有兩個,一是UVA波長良率更高,二是可避免藍光與紅、綠光響應速度的差異。但這一方案仍需解決熒光粉的問題,并防止UVA對人體的危害。

        眾所周知,紅光LED是Micro LED技術的重大瓶頸之一,F有的磷化鎵基紅光LED主要存在以下缺點:

        在其芯片尺寸從毫米減小至微米后,光效將從50%以上急劇下降至1%以下;

        磷化鎵材料力學性能差,在轉移過程中易脆,大大加重了巨量轉移的難度;

        磷化鎵基LED器件性能溫度穩定性差;

        磷化鎵的材料體系與藍、綠光Micro LED不兼容。

        因此,開發高效的氮化鎵基紅光Micro LED成為當務之急。而晶能光電在氮化鎵基紅光Micro LED開發上已取得重大突破。

        Micro LED的一個主流研究方向是用硅襯底GaN LED去襯底技術。由于硅襯底氮化鎵與硅半導體晶圓的物理兼容性,可以最大效能利用晶能光電的現有資源,同時避開巨量轉移問題,晶能光電優先著力于Micro LED微顯示研究,將硅基GaN與硅基CMOS驅動電路進行晶圓級邦定,去除硅襯底后在CMOS晶圓上繼續GaN芯片工藝。研究路線方面,則先進行單色Micro LED陣列,后進行全彩化,應用方向則集中在AR/VR/HUD/HMD等。

        2021年9月,晶能光電成功制備出紅、綠、藍三基色硅襯底Micro LED陣列,在Micro LED全彩芯片的開發上邁出關鍵的一步。目前,晶能光電硅襯底InGaN紅綠藍Micro LED陣列的像素點間距為14微米,像素密度達到1800 PPI。

        第三代半導體是國家2030規劃和“十四五”國家研發計劃確定的重要發展方向,被視作我國半導體產業彎道超車的機會。

        晶能光電專注于硅襯底氮化鎵技術近二十年,在全球率先實現了硅襯底GaN基LED的產業化。隨著GaN在5G、快充、Mini/Micro LED等更多領域的迅速崛起,晶能光電將為客戶創造更大的價值。(文:化合物半導體市場 林細鳳)

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