晶能光电：硅衬底GaN材料应用大有可为

10月9日-11日，由中国材料研究学会主办的第四届中国新材料产业发展大会在温州隆重举行，这是集中力量解决在关键核心领域新材料“卡脖子”问题的一次盛会。

来自全国各地的6000余名新材料专家、企业家、投资家、当地高等院校和企事业单位的代表以及51位两院院士出席了本次大会。

光电材料显示分论坛，晶能光电副总裁付羿博士受邀分享了以《硅衬底GaN材料在光电器件中的应用》为主题的报告，介绍了硅衬底GaN材料应用与前景、硅衬底GaN基LED产业化以及硅衬底GaN基Micro-LED的最新进展。此外，本次大会晶能光电荣获大会颁发的“创新型新材料企业”。

 

GaN材料与应用

GaN宽禁带半导体是开发新型显示、高频电力电子开关、和微波通讯器件的重要材料平台。基于不同衬底、生长技术、外延结构的Ga(InAl)N材料体系分别用于产业化制备半导体激光器、射频PA、功率HEMT、通用照明LED、新型显示Micro-LED等等。

大尺寸硅衬底GaN晶圆可以充分借助集成电路工艺和设备，实现高效率、高良率，低成本的精细化器件制程，并发挥与CMOS背板高度功能集成的潜力优势。但进入上述甜蜜区之前，大尺寸硅衬底GaN材料必须突破材料质量、材料均匀性、表面洁净度、晶圆翘曲等等产业化关键指标的挑战。

高质量、大尺寸的硅衬底GaN晶圆生长的技术难点主要源于三个方面：硅衬底和GaN的晶格失配导致的高缺陷密度，热膨胀系数失配导致的张应力、以及为避免Ga:Si反应必须导入的厚AlN成核层。

硅衬底GaN材料在中低功率的高频HEMT和LED专业照明领域已经实现规模商用。基于硅衬底GaN材料的Micro LED微显技术和低功率PA正在进行工程化开发。DUV LED、GaN LD以及GaN/CMOS集成架构尚处于早期研究阶段。

硅衬底GaN基LED产业化

晶能光电是全球首家实现硅衬底GaN基蓝光LED产业化的企业，解决了硅衬底和GaN材料之间的两大“失配”导致的关键技术难题。

经过17年的技术迭代创新，具备365-650nm全色系硅衬底GaN LED外延技术，晶能光电成为LED光源IDM全产业链的创新者和产业推动者，成功将硅衬底GaN基LED应用于汽车照明、手机闪光灯、智能穿戴、电视背光、移动照明、户外照明、高清直显等中高端细分领域。

同时，晶能光电已开发出4-8英寸硅衬底GaN基红绿蓝Micro-LED外延技术，制得3μm Micro LED阵列样品。

12英寸硅衬底GaN外延进展

Micro-LED在短、中期的主要市场驱动力是通过巨量转移的中、大屏和可穿戴显示。这一阶段的芯片制备主要基于4英寸蓝宝石衬底GaN晶圆和LLO技术。

Micro-LED另一重要应用场景是和CMOS底板直接键合的高PPI投影、辅助/虚拟现实设备的近眼显示。基于8英寸及以上的硅衬底GaN晶圆和CMOS底板、并借鉴成熟的IC工艺和设备，可以有效提高制程效率和良率，降低制造成本，推动Micro-LED微显技术的应用落地。

不仅众多初创企业在专注基于硅衬底GaN的Micro LED技术开发，中美日韩主要消费电子企业也都在这一新兴领域积极布局，从4英寸工艺研发过渡到8英寸量产, 最终升级到12英寸晶圆制程。

付羿博士分享了晶能光电在12英寸硅衬底红、绿、蓝LED外延开发方面的进展，并展示了12英寸外延片的PL/XRD/AFM等具体材料测试数据。12英寸硅衬底外延片在室温翘曲、裂纹控制、和材料质量均匀性上展现了很好的工程化可行性。

硅衬底GaN材料的前景和挑战

付羿博士介绍到，在硅衬底GaN上制备的DUV LED和激光器等报道展现了令人振奋的研究结果。但目前硅衬底GaN的材料质量还是制约其实际应用的拓展。DUV-LED的内量子效率对位错密度非常敏感。

GaN激光器的效率和可靠性更加依赖GaN材料质量，硅衬底GaN位错密度典型值1~5E8 / cm2, 远高于制备商业GaN激光器的自支撑GaN衬底(<1E6/cm2)。

考虑到良率、成本、和实际效果等因素，常规的图形衬底和在位插入层等技术并不合适于硅衬底GaN材料生长的产业化应用。大尺寸、高质量的硅衬底GaN需要创新的生长技术，和针对硅衬底GaN光电器件开发的专用生长设备。

 

结语

不同的GaN器件各自对应最佳的GaN材料/衬底体系，硅衬底GaN材料的潜力领域在于大尺寸、高集成、和细微化制程，作为AR设备核心组件的Micro LED微显有望成为硅衬底GaN技术的重大市场机遇。

晶能光电坚信硅衬底GaN技术的广阔前景，并且希望能与业内同行一道推动行业发展。