化合物半導體：Mini/Micro LED時代，硅襯底GaN大有所為
時間：2021-12-16 來源：化合物半導體市場 點擊：1325
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Mini LED
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：
1、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。
2、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。
3、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。
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。現有的磷化鎵基紅光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；
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）
(轉載自：化合物半導體市場）
