對于Mini/Micro LED顯示技術(shù)而言，邁向下一代高能效世代的一個重要步驟在于創(chuàng)新技術(shù)、創(chuàng)新材料，從而實現(xiàn)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(chǎn)品及解決方案的高科技公司，晶能光電對氮化鎵材料進(jìn)行了深入的研究，并將該材料與Mini/Micro LED顯示技術(shù)進(jìn)行了較好的融合。在2022集邦咨詢化合物半導(dǎo)體新應(yīng)用前瞻分析會上，晶能光電外延研發(fā)經(jīng)理郭嘯介紹了晶能光電在硅襯底氮化鎵Mini/Micro LED顯示技術(shù)上的研發(fā)進(jìn)展。

硅襯底垂直芯片技術(shù)實現(xiàn)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(chǎn)型Mini LED終端產(chǎn)品。但就目前的技術(shù)發(fā)展水平而言，Mini LED產(chǎn)品的價格仍然較高，不利于產(chǎn)品的推廣，產(chǎn)業(yè)鏈亟待進(jìn)一步降低成本。

目前，RGB小間距顯示屏的實現(xiàn)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(yīng)用市場。就目前發(fā)展水平而言，垂直芯片方案封裝工藝成熟度高，且現(xiàn)有封裝廠的設(shè)備可以完全通用，而倒裝方案不僅需要增加大批設(shè)備，且芯片價格高——據(jù)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(xiàn)，而薄膜倒裝芯片可以通過去除襯底，在兩個PAD之間蒸發(fā)20um左右高度的錫柱，進(jìn)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(xiàn)P0.6-P0.3的間距。

目前，垂直結(jié)構(gòu)RGB技術(shù)的潛力已在顯示領(lǐng)域得到充分體現(xiàn)。郭嘯介紹，與水平方案相比，垂直方案具有以下優(yōu)點：

從顯示效果而言，垂直芯片因為單面發(fā)光，無側(cè)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(yōu)勢，動態(tài)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(fā)生離子遷移，進(jìn)而導(dǎo)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(xiàn)這樣的問題。郭嘯還表示，經(jīng)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(fā)光一致性高，可少打兩根線，散熱更好等優(yōu)勢。

晶能光電在Mini LED顯示技術(shù)上進(jìn)行了廣泛而深入的研究。據(jù)悉，晶能光電在2018年下半年開始開發(fā)Mini RGB顯示屏，采用的是5×5mil硅襯底垂直芯片，發(fā)光區(qū)為90×90μm。2020年7月份，晶能光電正式實現(xiàn)Mini RGB芯片的量產(chǎn)，截至目前量產(chǎn)芯片可以達(dá)到4.2×4.2mil。

根據(jù)不同的點間距，晶能光電采用不同的硅襯底垂直芯片應(yīng)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(fā)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(jù)介紹，藍(lán)寶石襯底技術(shù)是目前LED制備過程中較為成熟的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)之一，但藍(lán)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(lán)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(shù)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(wěn)定性更高，在制作TFFC芯片等方面有很大優(yōu)勢。

在芯片的制作過程中，隨著芯片尺寸的縮小，傳統(tǒng)的AlGaInP紅光LED因去襯底后機(jī)械性能較差，在轉(zhuǎn)移過程中容易碎裂，很難進(jìn)行后續(xù)的工藝生產(chǎn)。技術(shù)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(tǒng)一。郭嘯指出，硅基InGaN紅光LED在研發(fā)上的巨大突破為該技術(shù)提供了實現(xiàn)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(shù)，在藍(lán)光LED表面放置量子點或者KSF熒光粉得到紅色的LED。

量產(chǎn)進(jìn)度及規(guī)劃上，晶能光電已于2020年7月實現(xiàn)P1.25-P0.7的量產(chǎn);2021年7月實現(xiàn)了P1.25-P0.6的量產(chǎn)，預(yù)計在2023年12月可實現(xiàn)P0.6-P0.3的量產(chǎn)，屆時將采用2×4mil的TFFC芯片。

大尺寸硅基GaN是實現(xiàn)Micro LED的捷徑

Micro LED具有十分優(yōu)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(xiàn)為Micro LED的研發(fā)提供了新思路。

與藍(lán)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(yōu)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(wěn)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(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)多采用QD顯示技術(shù)，其中一個原因就是藍(lán)光LED外延具有優(yōu)秀的均勻性。

但在同樣的設(shè)備、襯底等條件下，硅基UVA(365-370nm)產(chǎn)品的出現(xiàn)為行業(yè)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(yōu)點主要有兩個，一是UVA波長良率更高，二是可避免藍(lán)光與紅、綠光響應(yīng)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(shù)的重大瓶頸之一?，F(xiàn)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(xué)性能差，在轉(zhuǎn)移過程中易脆，大大加重了巨量轉(zhuǎn)移的難度;

磷化鎵基LED器件性能溫度穩(wěn)定性差;

磷化鎵的材料體系與藍(lán)、綠光Micro LED不兼容。

因此，開發(fā)高效的氮化鎵基紅光Micro LED成為當(dāng)務(wù)之急。而晶能光電在氮化鎵基紅光Micro LED開發(fā)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(shù)。由于硅襯底氮化鎵與硅半導(dǎo)體晶圓的物理兼容性，可以最大效能利用晶能光電的現(xiàn)有資源，同時避開巨量轉(zhuǎn)移問題，晶能光電優(yōu)先著力于Micro LED微顯示研究，將硅基GaN與硅基CMOS驅(qū)動電路進(jìn)行晶圓級邦定，去除硅襯底后在CMOS晶圓上繼續(xù)GaN芯片工藝。研究路線方面，則先進(jìn)行單色Micro LED陣列，后進(jìn)行全彩化，應(yīng)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(lán)三基色硅襯底Micro LED陣列，在Micro LED全彩芯片的開發(fā)上邁出關(guān)鍵的一步。目前，晶能光電硅襯底InGaN紅綠藍(lán)Micro LED陣列的像素點間距為14微米，像素密度達(dá)到1800 PPI。

第三代半導(dǎo)體是國家2030規(guī)劃和“十四五”國家研發(fā)計劃確定的重要發(fā)展方向，被視作我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)彎道超車的機(jī)會。

晶能光電專注于硅襯底氮化鎵技術(shù)近二十年，在全球率先實現(xiàn)了硅襯底GaN基LED的產(chǎn)業(yè)化。隨著GaN在5G、快充、Mini/Micro LED等更多領(lǐng)域的迅速崛起，晶能光電將為客戶創(chuàng)造更大的價值。(文：化合物半導(dǎo)體市場 林細(xì)鳳)

原文標(biāo)題：晶能光電：Mini/Micro LED時代，硅襯底GaN大有所為

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審核編輯：湯梓紅