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microLED:硅基氮化镓找到了自己的使命

2020/10/10 17:51:38      材料来源:CSC化合物半导体

 

通过专用的硅生产线加工硅基氮化镓(GaN-on-silicon)外延片,提供了一种极具吸引力的 microLED显示器制造方法。

 

作者:Richard Stevenson

 

 图1. Plessey的硅基氮化镓microLED技术被用于辅助现实显示器。该技术的应用机遇包括护目镜,可以让游泳者不必抬头观看墙上的时钟就能对自己的用时情况了如指掌。

 

 

硅基氮化镓(GaN-on-silicon)LED始终备受世人的关注。在最近十年的初期,当 Bridgelux(普瑞光电)公司宣布该技术可减低 LED 照明的成本时,它一举成为了头条新闻。LED 芯片的制造成本将大幅下降,这得益于业界转向使用较为便宜、尺寸较大的晶圆片,以及有机会在未得到充分利用且全部折旧完毕的 200 mm 硅生产线上加工器件。然而,在政府补贴和蓝宝石衬底价格大幅降低的帮助之下,通过削减传统芯片的成本,大批涌入该市场的却是中国的公司。

 

并非只有 Bridgelux 一家公司遭遇这样意料之外的转折。英国公司 Plessey的希望也曾因此破灭。早在 2012 年,Plessey就从剑桥大学的子公司 CamGaN 那里购买了硅基氮化镓技术。在其位于普利茅斯的工厂里确立了该生产流程之后,Plessey花费了几年的时间试图在 LED 照明市场上实现盈利。该公司的工作重点是找到它有可能产生影响的利基市场。他们推出了用于聚光灯、昼夜照明和园艺应用的产品,不过这些风险项目均未获得显著的成功。

 

那么,这是否意味着硅基氮化镓 LED 永远不会取得成功呢?绝对不是。所需要的就是找到可以真正从这种形式的 LED 获益的应用。在现任领导层(包括于 2017 年加盟 Plessey 并引领业务和企业发展的总裁 Michael Lee)的指导下,Plessey公司就是这么做的。Plessey 已经确定,采用 microLED 制作的显示器非常适合此项技术,目前他们完全专注于这个利润丰厚的领域。

 

对于这类应用,较之更为常用的蓝宝石基氮化镓LED,硅基氮化镓LED 拥有一项至关重要的优势,即:当发射器的尺寸减小时,它的性能将领先。这是因为它的光提取效率较高,而且压降减小(当电流增加时,效率有所下降,而这背后的难解弊端就是压降)。

 

硅基氮化镓 LED 的其他优点包括:效率非常之高,甚至当以非常低的功率,驱动器件时也不例外;具有可以调整的发射轮廓,可以通过塑造芯片的形状来创建更好的光发射器。

 

就作业的严苛程度而言,生产用于显示器的高质量 LED 要比制造照明用芯片高得多。为了缩小这种差距,Plessey 耗费数年时间致力于完善其生产流程。努力的方向并不仅限于优化针对尺寸小得多的 LED 的光提取效率,还扩展到了减小晶圆片翘曲度,增加波长均匀度,以及降低缺陷密度。

 

Plessey 的硅生产线(包括晶圆键合、光刻和步进式光刻机)上加工硅基氮化镓外延片,前提条件是晶圆片要具有非常低的翘曲度。在这里工作的工程师继承了一个极佳的起点,因为 CamGaN 的技术以最大限度减小晶圆翘曲度为专注点。但是,如需制造 microLED 显示器,那么 Plessey 的工程师必须将晶圆平坦度再提高到一个新的水平。据 Lee 称,此项改进提升了与光刻、步进式光刻机和晶圆键合工艺相关的良率水平。

 

由于人眼对于色彩变化的高度敏感性,所以对于显示器的性能要求极高,因此波长均匀性是另一个重要的标准。Lee 说:“甚至晶片上的波长均匀性也是至关紧要的。”在过去的一年左右时间里,通过改良工艺,将晶圆片上的波长不均减低至 10 ± 3 nm

 

另外,显示器技术还要求极低的缺陷密度。在加工过程中,即使仅有微米大小的粒子落在晶圆片的表面时,它也会摧毁显示器中几个具有非常大间距的像素,从而造成严重的破坏,因为人眼对于死像素是极其敏感的。

 

为了降低缺陷程度,Plessey 订购了具有极低缺陷水平的最新工具,同时采取了特殊的处理措施。

 

辅助现实

 

在经过改进的生产工艺部署就位之后,Plessey 的研究小组目前正在与一些相关公司合作,生产一系列辅助现实(assisted-reality)产品,这些产品包含一种专门的贴近人眼的信息显示器。此类产品采用电池供电驱动,可持续运行很长时间,这得益于 microLED 拥有非常高的效率。Plessey 的辅助现实产品已经开始发货,预计未来几年之内其销售将达到高峰。

 

一种装有潜水电脑的自携式水下呼吸器潜水面罩是此类辅助现实产品的一个例子。Lee 表示:“高空跳伞面具是另一个产品实例,借助该面具,跳伞者可以知道自己所处的高度、下降的速度和 GPS,这在跳伞时是至关重要的。”Lee 补充说,辅助现实产品还可安装在摩托车头盔中(这样驾驶者就不再需要低头观看仪表盘);用在游泳护目镜中(提供圈速计时器);内置于枪支瞄准镜中(提供测距能力和风速的细节信息)。

 

对于所有的参与者来说,这样的机会都是非常有利可图的。Lee 说,比如,相关公司在向市场投放产品时,就可以将枪支瞄准镜的标价从 500 美元提高至 1500 美元。

 

所有这些辅助现实显示器均具有符号化的内容,例如箭头和数字,而不是可单独寻址的像素。在有些产品中,所有的内容使用一种颜色,而在其他的设计中,对不同的区段则采用不同的颜色。

 

眼下,许多公司都渴望携新产品进入上述这些市场。为帮助他们实现这一目标,Plessey 提供了交钥匙型显示器,此类显示器能发出红光、绿光和蓝光,而且不需要定制。

 

Lee 说:“如果他们是规模较大、财力较雄厚的公司,那么首先想要的就是定制的版本。”通过调整显示器中使用的彩色,以及发光区域的形状和亮度,Plessey 满足了这种需求。在面向夜间应用的产品中,降低亮度是必不可少的。

 

为了推动取得进一步的成功,Plessey 2020年国际消费电子展 (CES) 上将推出一款开发套件。该套件现在称为 Direct Drive,它具有一个尺寸低于 5mm x 5mm 的显示器、一个允许以最高 2A 的电流驱动晶片的驱动器、一个处理器、一个超小型可再充电电池。显示器中的符号化内容是完全可定制的(采用像素特征可小至 2μm 的单色区段)。

 

生产流程

 

此类辅助现实显示器的生产流程始于将 150mm <111> 衬底装入 Aixtron Crius II MOCVD 反应器。为了创建 LED 结构,使用了一种包含 137 步工序的工艺方案,以沉积一个 GaN 层堆栈。在硅材料上进行 GaN 生长是颇具挑战性的,这是因为材料之间的热失配和晶格失配会引起外延片翘曲。为避免出现这种情况,工程师们采用了稍厚一点的衬底和一种复杂的缓冲层技术。

 

硅基氮化镓 LED 架构仅有的显著缺点是,从活性区域发出的光有被衬底吸收的危险。为防止发生此类状况,Plessey 的工程师的做法是先将一个反射镜沉积在外延结构的顶部,然后再将这一侧粘接至一片操作晶圆,并去除原来的硅衬底。该工艺过程提高了光输出,原因是光不会再“遁入”衬底。相反,在这个方向前进的辐射被反射回芯片,由于上表面纹理结构的缘故,所以它在这里离开芯片的几率是很高的。

 

为了定义符号化内容,工程师采用了光刻和蚀刻工艺处理。之后,他们去掉操作晶圆,并将电触点涂覆到 LED 上,以完成这些用于辅助现实显示器的部件的生产制作。

 

Plessey 最初仅采用该工艺制作蓝光 LED。由于实施了工艺改善,因此这些 455nm 发射器的外部量子效率如今高达 25%(对于直径为 4μm 的器件)。需要注意的是,当尺寸减小时,这个数字(外部量子效率)下降,因为未产生光发射的周边部分变得更加重要。

 

生产红光 LED 的选项之一是提高量子阱中的铟含量。但是,由于应力引起的位错,造成效率骤降。于是,Plessey 的工程师通过在蓝光 LED 上涂覆发红光的量子点,做成了在该光谱范围内发射的光源,而并未制作原生红光发射器。

 

Plessey 可以采用一种相似的方法来制造绿光 LED。但是它并没有这么做,因为使用蓝光光源泵激的发绿光量子点的发射会导致效率非常低。而转变为使用荧光粉无助于事,原因是这种做法在解决一个问题的同时又带来了另一个问题。这个问题是,荧光粉微粒比像素大得多,而如果它们被碾碎,则会牺牲其效率。

 

为了避免发生所有这些问题,Plessey 的工程师制作了原生绿光 LED。其效率尚未达到同类蓝光 LED 那么高(外部量子效率约为 17%),但是,由于人眼在该谱域中的敏感度高得多,因此它们具有较高的 cd m-2 数值,对于显示器来说,这是更加重要的规格指标。

                              

增强现实

 

Plessey 第二代产品的生产中,巨量微型 LED 的制造是至关重要的工序。第二代产品将应用于增强现实头戴式耳机,可为使用者提供身临其境的完整体验。Lee 认为,硅基氮化镓是适合此类应用的理想技术,因为它的高效率延长了电池寿命,并实现了高亮度,所以在太阳光下,头戴式耳机可以在室外使用。

 

该技术所拥有的功能之一是可以把图像从智能手机转到头戴式耳机上。Lee 说:“这是一个规模巨大且处于成长态势的市场。”

 

目前有许多公司与 Plessey 进行合作,旨在开发其自己的头戴式耳机技术。这些合作伙伴承担一次性成本,以支付与新产品的研究、设计、开发和测试相关的费用。

为了展现其超凡技术,Plessey 展示了两款显示器。20195月,在美国SID Display Week上,Plessey宣称其生产了世界上首款键合的且完全可寻址的硅基氮化镓 高分辨率有源矩阵microLED显示器。此显示器的对角线为 0.7 英寸,并具有尺寸为 6μm、间距为 8μm 1920 x 1080 个像素。2019 9 月,Plessey 推出的第二款显示器更小,它支持 2k x 2k 的分辨率,具有 2.5μm 的像素间距。

 

显示器生产的起点是采用 Aixtron G5+ 200mm 衬底上生长LED外延结构。与 Crius II 不同,Aixtron G5+ 是行星式反应器,故其提供了更高的波长均匀性,而且重要的是缺陷较低尽管晶圆直径从 150mm 变为 200mm,但是,沿着晶圆片中轴并未出现波长均匀性下降的情况。

 

在晶圆的加工过程中(包括若干光刻和蚀刻工序),LED 和台面在结构中定义。后者包含封阻材料,这样每个 LED 与其相邻的 LED 都是电和光隔离的。

 

下一步是将经过加工的外延片全部连接至一块背板。由于一台全高清显示器包含 1920 x 1080 个像素,因此在该工艺过程中创建了 200 万个单独的电粘接。

 

Plessey 发现,要找到优良的背板供应商是件很困难的事。因为目前背板市场主要是为硅基液晶显示器制造商提供背板,液晶显示器是由电压驱动的,而 microLED 显示器是需要采用电流驱动的。

 

Jasper Display是一家可满足市场对于电流驱动型背板的需求的公司,该公司运用其获专利的eSP70 硅技术来生产经过加工处理的 200mm 晶圆。通过与 Jasper 开展合作,使得 Plessey 能够生产其于2019 5 月公布的对角线为 0.7 英寸的显示器。Jasper 的背板可提供每个像素 10 位单色控制。

 

最近,Plessey 宣布与 Compound Photonics 公司建立了合作伙伴关系,后者将提供用于智能眼镜的硅背板。在2020年年中之前,应能供应对角线为 0.26 英寸的全高清分辨率显示器样品,以及一款接受业界标准 MIPI 输入的驾车者用显示器。

 

随着显示器行业的不断发展,背板制造商将转变为 300mm 硅晶圆和特征尺寸较小的 CMOS 工艺。CMOS 工艺尺寸的减小是有益的,因为它能够限制 LED 像素的尺寸。例如,对于 2.5μm像素,CMOS 工艺的最大特征尺寸为 70nm

 

Plessey 充分做好了迎接这一最终转变的准备,这是因为其采用 Crius II 反应器可用于生长 300mm 外延片。而当它最终转移到较大的尺寸时,随之而来的应是成本的节省,原因是该迁移将降低浪费掉的晶圆面积所占的比例。

 

如今,Plessey 开发的像素化高分辨率显示器是单色的,以蓝光或绿光发射。显然,这并不是市场想要的,市场所盼望的是全色显示器。

 

竞争对手采用“拾取和放置方法来实现该目标。这需要生产三组晶圆:一组采用红光 microLED,另一组采用绿光 microLED,第三组则使用蓝光 microLED,并将单独的芯片粒子(chiplet)转移到一块背板上,以形成 RGB 像素。工作重点专注于大规模并行方法的运用,旨在加快工艺流程。然而,将每个 microLED 摆放在正确的位置会遇到许多难题。

 

Lee 和他的同事主张采用单片方法,这样,晶圆的放置和对准将受控于光刻。此项技术拥有优良的记录,已经依据摩尔定律实现了硅晶体管体积的大幅缩减。

 

Plessey的解决方案之一是形成三个分离的microLED显示器:一个是蓝光显示器、另一个是绿光显示器、第三个则是红光显示器。为生成一幅彩色图像,将这三个显示器的输出与一种棱镜形式相结合。由此产生的图像具有 5 W cm-2 的辐照度 (flux density),该数值是电视产生的辐照度的50倍。需要注意的是,与并排使用红、绿、蓝像素相比,这种方法的优势是:对于相同尺寸的microLED,图像的分辨率较高。

 

毫无疑问,在同一块背板上安置红、绿、蓝像素是一种比较整洁的解决方案。Plessey 已经开始朝着这个方向部署和展开工作。201910月,Plessey宣布能够在同一块晶圆片上制作蓝和绿像素,采取的方法是在一个LED结构上生长另一个LED结构。不过,添加原生红光 microLED将不是一件容易的事。

 

Plessey 会被迎头赶上吗?

 

很明显,Plessey 目前处于十分有利的地位,因其手握一项吸引众多客户的新颖且性能强大的技术。但是,是否存在这样一种危险,就是短短几年之后,该公司的销售业绩会输给那些管理费用较低、运用的方法更好、抑或采用了山寨技术的竞争对手吗?

 

Lee 认为不会出现这种情况。他当然不担心那些试图藐视 Plessey 的知识产权和反向还原工艺流程的公司。那是因为这样做几乎是不可能的。即便是将一套成熟的工艺流程从 Aixtron Crius II 反应器转移到 G5+ 反应器这样一个相对简单的任务,Plessey 经验丰富的工程师团队也花费了大量的时间和精力。

 

对于竞争的另一个巨大的障碍是基础设施的成本。这不仅仅是采购 Aixtron G5+ 所需的投资。此外,还需要组建一条专用的硅生产线,这条生产线包含了步进式光刻机、蚀刻工具和一套特性分析设备。

 

最后,但并非不重要的一点是,Lee认为:与任何试图复制其技术的竞争对手相比,Plessey拥有先发优势。Lee指出:“我们参与了每一项计划。”

 

Plessey充满了乐观情绪,对于该公司来说,未来几年将是非常令人兴奋的。Plessey希望签署更多的合约,在 CES 2020 大会上引起轰动,并开发先进的工艺流程以生产尺寸更小的像素。此外,该公司还在增加工作员工。Lee说:“在 20206月前,我们要再雇用50人。”Plessey预计要增加工艺工程师、开发工程师、以及承担领导和管理职务的人员。

 

Plessey所有这些努力,有望让硅基氮化镓LED首次尝到赢得重大商业成功的滋味。虽然它似乎曾是将LED照明带给大众的最好选择,但是现在很清楚,它的最佳机会是推动microLED显示器的广泛应用。

 

 

 

 

2. Plessey 为许多客户生产直接驱动显示器。它们具有符号化内容,这些内容通过在硅基氮化镓 外延片上进行蚀刻来定义。

 

 

3. 显示器的生产中会使用硅基氮化镓外延片的化学机械研磨工艺。为了减少发生颗粒污染的机会,在设备上使用了有机玻璃挡板。

 

 

图4. 2019 年 5 月,Plessey 推出了具有1920x1080电流驱动型单色像素(像素间距为8μm)阵列的microLED显示器。每个显示器需要 200多万个单独的电粘接,以将microLED像素连接至控制背板。

  

 

5. 2019 11 / 12 月,Plessey宣布开发了一种在同一块晶圆片上形成绿像素和蓝像素的技术,所采取的方法是在一个LED结构上生长另一个LED结构。


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