隨著各大科技巨頭爭(zhēng)相推出各種AR和VR設(shè)備，進(jìn)而為用戶提供他們期待已久的生動(dòng)明亮的圖像，他們最后都遇到了這樣一個(gè)共同的瓶頸：紅色Micro-LED芯片的開(kāi)發(fā)。由于材料固有缺陷在器件尺寸非常小時(shí)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重影響，目前所有LED的發(fā)光效率都會(huì)隨著器件尺寸的減小而直線下降，這其中，紅色LED尤為明顯。
根據(jù)外媒eetimes報(bào)道，最近，總部位于英國(guó)的初創(chuàng)公司Kubos半導(dǎo)體提出了一種他們認(rèn)為可以很好解決該問(wèn)題的方案。“一直以來(lái)，紅色Micro-LED芯片的開(kāi)發(fā)讓人們夜不能寐，因?yàn)榇蠹叶疾荒茏層糜谒{(lán)色和綠色LED器件制造的傳統(tǒng)氮化鎵材料在更長(zhǎng)的紅色波段下有效工作，”Kubos半導(dǎo)體的首席執(zhí)行官Caroline O'Brien表示：“如果希望尋找到一個(gè)突破口，大家就必須要以一種不同的方式看待這個(gè)問(wèn)題，而這就是我們一直在做的方向。”
那么，紅色Micro-LED芯片的開(kāi)發(fā)到底遇到了什么問(wèn)題？實(shí)際問(wèn)題就是，將典型的藍(lán)色LED從目前的常用尺寸縮小到5微米大小，其發(fā)光效率會(huì)從90%左右驟降到40%左右。雖然出現(xiàn)了很大的降幅，但從應(yīng)用角度來(lái)看，這已經(jīng)是能夠接受的了。同樣地情況對(duì)紅色LED來(lái)說(shuō)，其發(fā)光效率會(huì)從60%下驟降到1%左右，如此大的降幅正是目前問(wèn)題癥結(jié)所在，而造成這種差異的主要原因在于制造這些器件所用的材料不同。
迄今為止，藍(lán)色和綠色LED通常由氮化銦鎵（InGaN）材料制成。不過(guò)，當(dāng)開(kāi)發(fā)商同樣用InGaN材料制造更長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅色LED器件時(shí)，材料成分的細(xì)微差別會(huì)在器件的發(fā)光區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的偏振場(chǎng)，正是這種偏振場(chǎng)極大降低了發(fā)光效率。因此，大多數(shù)器件制造商開(kāi)始選擇使用磷化銦鎵（InGaP）半導(dǎo)體材料來(lái)制造紅色LED器件。在Micro-LED應(yīng)用及其擴(kuò)展問(wèn)題出現(xiàn)之前，這種方法一直很有效。
業(yè)內(nèi)一些最有頭腦的人一直在試圖從現(xiàn)有的Micro-LED材料系統(tǒng)中找到解決方案。藍(lán)色激光二極管先驅(qū)、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者中村修二和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的同事正在從這個(gè)方向出發(fā)，以通過(guò)最大限度地減少缺陷效應(yīng)，來(lái)提高InGaN和InGaP材料制成的紅色Micro-LED芯片的性能。Zhe Zhuang和沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）的同事們正在使用一種新的化學(xué)處理方法，以提高他們基于GaN材料開(kāi)發(fā)的紅色Micro-LED的發(fā)光效率。
實(shí)際上，目前全球范圍內(nèi)的初創(chuàng)企業(yè)也都在將精力集中在紅色Micro-LED的制造上。韓國(guó)紫外LED制造商Soft Epi正在通過(guò)生長(zhǎng)工藝的調(diào)整，來(lái)提高GaN基紅色Micro-LED的發(fā)光效率。比利時(shí)Imec的衍生公司Micledi最近宣布成功推出了一款發(fā)出“法拉利紅”色光的AlInGaP Micro-LED芯片。在英國(guó)，劍橋大學(xué)的衍生初創(chuàng)公司Porotech開(kāi)發(fā)了多孔GaN晶圓，他們將其稱為PoroGaN，并認(rèn)為這將是制造可發(fā)出各種顏色光Micro-LED芯片的基礎(chǔ)。另外，Porotech最近還與總部位于威爾士的化合物半導(dǎo)體晶圓供應(yīng)商IQE聯(lián)手開(kāi)發(fā)晶圓產(chǎn)品。
不過(guò)，在這種日益活躍的技術(shù)開(kāi)發(fā)活動(dòng)中，Kubos半導(dǎo)體公司仍然堅(jiān)持認(rèn)為，通用材料系統(tǒng)是藍(lán)色、綠色和紅色Micro-LED的最終前進(jìn)之路。對(duì)于這家初創(chuàng)公司的高管來(lái)說(shuō)，這種可以贏得未來(lái)勝利的材料是另一種GaN。
采取不同的做法
雖然業(yè)界對(duì)GaN的熱愛(ài)主要集中在具有六方晶體結(jié)構(gòu)的合金上，但同樣來(lái)自加的夫大學(xué)和劍橋大學(xué)的Kubos半導(dǎo)體創(chuàng)始人David Wallis多年來(lái)一直在研究一種立方GaN。由于立方GaN具有更高的晶體對(duì)稱性，這種GaN變體能夠不受強(qiáng)極化場(chǎng)的影響，而如前述，正是這種強(qiáng)極化場(chǎng)降低了GaN基紅色LED的發(fā)光效率。
那么，為什么每個(gè)人都關(guān)注具有六方晶體結(jié)構(gòu)的GaN呢？實(shí)際上，早在20世紀(jì)90年代，關(guān)于立方GaN的生長(zhǎng)研究開(kāi)始停滯不前，因?yàn)檫@種材料在熱力學(xué)上可能不穩(wěn)定，這使得在大多數(shù)襯底上高質(zhì)量生長(zhǎng)這種材料非常困難。大約在同樣的時(shí)候，六邊形GaN的生長(zhǎng)研究開(kāi)始火熱了，而且隨著器件開(kāi)發(fā)的步伐加快，大多數(shù)研究人員慢慢開(kāi)始忘記立方GaN。
不過(guò)，Wallis和他的同事堅(jiān)持在一種具有SiC薄層襯底的晶圓上生長(zhǎng)立方GaN。英國(guó)華威大學(xué)的子公司Anvil半導(dǎo)體公司最先為SiC功率電子器件的開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)硅基SiC襯底。后來(lái)，Wallis及其團(tuán)隊(duì)成功地在上述襯底上開(kāi)發(fā)了一種生長(zhǎng)立方GaN的穩(wěn)定工藝，并基于該成果建立了Kubos半導(dǎo)體公司。此后，該公司一直在生產(chǎn)150毫米晶圓，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）工藝生長(zhǎng)立方GaN。
圖1. 通過(guò)晶片探測(cè)測(cè)試的150毫米GaN LED晶圓（圖片來(lái)源：Kubos 半導(dǎo)體）
“硅襯底可以與CMOS工藝兼容，由于薄SiC層和立方GaN之間的低晶格失配，我們可以迫使GaN的生長(zhǎng)進(jìn)入立方狀態(tài)，”O'Brien說(shuō)道：“隨著SiC功率器件的商業(yè)化，這種SiC薄層的成本將顯著降低，這也讓我們的全套方案，開(kāi)始能夠與目前使用量子點(diǎn)或在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN的Micro-LED制造方法競(jìng)爭(zhēng)。”
Kubos打算在更大的200毫米硅基碳化硅晶圓上生長(zhǎng)立方GaN，根據(jù)O'Brien的說(shuō)法，這是“真正的最佳成本點(diǎn)”
Kubos的首席執(zhí)行官Caroline O'Brien認(rèn)為，圍繞其立方GaN工藝積累的無(wú)數(shù)專利已經(jīng)讓該公司具有了非常大的商業(yè)優(yōu)勢(shì)。另外她還指出，目前業(yè)界只有少數(shù)幾個(gè)玩家在研究立方氮化鎵，如美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校和倫斯勒理工學(xué)院以及德國(guó)的帕德博恩大學(xué)，而且，這些研究機(jī)構(gòu)目前都還沒(méi)有開(kāi)發(fā)商業(yè)器件。
O'Brien說(shuō)道：“立方GaN開(kāi)辟了一個(gè)全新的世界，與生長(zhǎng)六邊形GaN的IP雷區(qū)相比，立方GaN是一個(gè)相對(duì)未開(kāi)發(fā)的空間。”
Kubos最近制造了一款50微米直徑的立方GaN非封裝Micro-LED芯片，它可以發(fā)射紅光。他們希望據(jù)此證明，使用立方GaN方案制造更長(zhǎng)波長(zhǎng)Micro-LED是可能的。目前，該公司正在增加其晶圓供應(yīng)，以便支持客戶定制其專有紅色Micro-LED芯片。據(jù)O'Brien的估計(jì)，這些初始LED器件的外部量子效率約為3%。
圖2. Kubos半導(dǎo)體制作的直徑為50微米的綠色、琥珀色和紅色Micro-LED器件。目前他們正在努力提高紅色LED結(jié)構(gòu)的發(fā)光效率（資料來(lái)源：Kubos半導(dǎo)體）
O'Brien說(shuō)：“接近20%的發(fā)光效率目標(biāo)未來(lái)是可以實(shí)現(xiàn)的，那時(shí)，這種Micro-LED技術(shù)將在延長(zhǎng)電池壽命方面變得非常有意義，我相信這一目標(biāo)將在未來(lái)5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。”
對(duì)于正在努力生產(chǎn)高分辨率、高亮度AR/VR智能眼鏡的科技巨頭來(lái)說(shuō)，這種技術(shù)和發(fā)光器件無(wú)疑將是個(gè)非常大的好消息，同時(shí)它也將讓Kubos半導(dǎo)體公司在未來(lái)獲得越來(lái)越多的公司垂青甚至收購(gòu)邀請(qǐng)。
最后，O'Brien說(shuō)，她的目標(biāo)包括看到這項(xiàng)技術(shù)“被用于各種產(chǎn)品，其中包括傳統(tǒng)的LED照明、通信和Micro-LED。但我確實(shí)認(rèn)為，由于我們行業(yè)的潛在性質(zhì)，我們很可能會(huì)被收購(gòu)。”
