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通过专用硅线在硅外延片上加工GaN提供了制作microLED显示器的一种非常有吸引力的方法
BY RICHARD STEVENSON

硅基GaN发光二极管一直备受关注。在本世纪初,当Bridgelux将这项技术标榜为降低LED照明成本的技术时,它占据了头条。由于转向更便宜、更大的晶片,以及有机会在未充分利用、折旧充分的200毫米硅生产线中加工器件,LED芯片的制造成本将大幅下降。但是,在补贴的帮助下,蓝宝石衬底的价格大幅下跌,正是来自中国的公司通过削减传统芯片的成本,涌入了市场。
不仅仅是Bridgelux遭受了这种意外的扭曲。UK firm Plessey的希望也破灭了。早在2012年,它就从剑桥大学(University of Cambridge)的子公司CamGaN手中收购了GaN on silicon technology。在普利茅斯建立了这一流程后,它花了几年时间试图在LED照明市场上实现盈利。努力的重点是找到一个可以产生影响的利基市场。产品是为聚光灯,昼夜节律照明和园艺推出的,但这些企业都没有实现重大成功。
那么这是否意味着硅基GaN发光二极管永远不会成功呢?绝对不是。所需要的是找到一个用途,将真正受益于这种形式的LED。而在目前的领导下,包括2017年加入Plessey并领导商业和企业发展的Michael Lee总裁,该公司正是这样做的。它已经确定了由微型LED制成的显示器非常适合这项技术,现在它完全专注于这一利润丰厚的领域。
在这类应用中,GaN-on-silicon发光二极管相对于更常见的蓝宝石发光二极管有一个关键的优势:随着发射极尺寸的减小,它的性能将领先。这是因为光的提取率更高,下垂度也有所降低,这是电流上升时效率下降背后的神秘弊病。
GaN-on-silicon-LED的另一个优点是效率非常高,即使在驱动器件的功率非常小的情况下也是如此;以及可以通过对芯片进行整形来定制以创建更好的光发射器的发射剖面。
为显示器生产高质量的led要比为照明生产芯片困难得多。为了弥补这一差距,Plessey公司花费了数年时间来改进其生产工艺。这些努力不仅是为了优化更小的led的光提取,而且已经扩展到减少晶圆弯曲、增加波长均匀性和降低缺陷密度。

Plessey正在为许多客户生产直接驱动显示器。它们的特征是符号内容,通过在硅外延片上刻蚀GaN来定义。

一个非常低曲面是通过Plessey的硅线运行硅外延片上的GaN的先决条件,硅线包括晶圆键合、光刻和步进工具。在这个地点工作的工程师们继承了一个很好的起点,因为CamGaN的技术专注于最小化曲面。但是为了制造microLED显示器,Plessey的工程师们不得不将平面度提升到一个新的水平。据Lee说,这种改进提高了与光刻、步进和晶圆键合工艺相关的产量。
波长均匀性是另一个重要的标准,因为眼睛对颜色的变化非常敏感,会影响显示器的性能。“甚至芯片上的波长均匀性也是至关重要的,”Lee说。通过在过去一年左右改进工艺,晶圆的波长均匀性降低到10±3纳米。
显示技术也需要非常低的缺陷密度。即使一个小到微米的颗粒在加工过程中进入晶圆表面,它也能以很小的间距擦除显示器中的几个像素。这会造成严重破坏,因为眼睛对坏像素非常敏感。
为了降低缺陷级别,Plessey公司已经交付了支持更低缺陷级别的最新工具,以及具体的处理措施。

显示器的生产涉及硅外延片上GaN的化学机械抛光。为了减少微粒污染的机会,在工具上使用有机玻璃薄膜。
辅助现实
随着生产流程的改进,Plessey的团队现在正与公司合作,生产一系列辅助现实产品,这些产品包含一个设计用于近距离工作的信息显示屏。这些都是电池驱动的产品,由于microled的高效性,可以运行很多小时。发货已经开始,预计销售将在几年内达到高峰。
这些辅助现实产品的一个例子是一个带有潜水电脑的潜水面罩。“另一个是跳伞面罩,所以你知道高度、下降速度和GPS,这在你跳伞时是至关重要的,”李说,他补充说,辅助现实技术也可以在摩托车头盔中使用,因此驾驶员不再需要俯视仪表板;在提供一个圈时钟的游泳谷歌机中;在手枪瞄准镜中,提供测距能力和风速细节。
这些机会对有关各方都是非常有利的。例如,据李说,公司推出的产品可以让他们把枪的价格从500美元提高到1500美元。
所有这些辅助现实显示都具有符号内容,如箭头和数字,而不是单独可寻址的像素。在某些产品中,一种颜色用于所有内容,但在其他设计中,不同的颜色用于不同的部分。

2019年5月,Plessey推出了一款microLED显示屏,采用1920×1080个电流驱动的单色像素阵列,间距为8微米。每个显示屏需要200多万个单独的电子键将microLED像素连接到控制背板。

现在,许多公司都热衷于用新产品进入这些市场。为了帮助他们完成这项任务,Plessey公司提供了全包式显示器,可以发射红色、绿色和蓝色,不需要定制。
“如果他们是一家财大气粗的大公司,他们首先想要的是一个定制版本,”Lee说。Plessey满足了这一需求,通过裁剪显示器中使用的颜色,以及发光区域的形状和亮度。在夜间使用的产品中,拒绝后者是必不可少的。
为了推动进一步的成功,Plessey将在即将到来的消费电子展上推出一个开发工具包。目前称为直接驱动,它的特点是尺寸小于5毫米乘5毫米的显示器,一个驱动程序,允许模具在高达2安培的速度下驱动,一个处理器和一个超小型充电电池。显示器中的符号内容是完全可定制的,使用单色色块,像素特性可以小到2微米。

生产工艺
这些辅助现实显示器的生产首先将150毫米硅<111>衬底加载到Aixtron Crius II MOCVD反应器中。为了创建LED结构,使用137个步骤的配方来沉积一堆GaN基层。硅基GaN的生长具有挑战性,因为材料之间的热不匹配和晶格不匹配会导致外延片弯曲。为了防止这种情况发生,工程师们使用稍厚的基底和复杂的缓冲技术。
GaN-on-silicon-LED架构唯一显著的缺点是,衬底有可能吸收从有源区发射的光,从而降低效率。为了防止这种情况的发生,Plessey的工程师们在将这一侧与手柄晶圆结合并移除原硅基板之前,在表面结构的顶部沉积了一面镜子。这个过程提高了输出,因为光不能再消失在基板上。相反,辐射方向在这个方向上被反射回芯片中,由于芯片顶部表面的纹理,其离开芯片的机会很高。

2019年11月/12月,Plessey透露,公司开发了一种技术,通过在一块晶圆上增加一个LED结构,在同一块晶圆上形成绿色和蓝色像素。

为了定义符号内容,工程师们使用光刻和蚀刻技术。在此之后,他们移除手柄晶圆,并将电触点应用到LED上,以完成这些辅助现实显示器单元的生产。
Plessey最初用这种方法只生产蓝色的发光二极管。由于精细化,对于直径为4微米的器件,这些455nm发射器的外部量子效率现在高达25%。注意,当尺寸减小时,这个数字会下降,因为没有发生排放的外围变得更重要。
生产红色发光二极管的一个选择是提高量子阱中的铟含量。但由于应变引起的位错,效率下降。因此,普莱西的工程师们并没有生产天然的红色发光体,而是通过在蓝色发光二极管上涂上红色发光量子点来生产出在这个光谱范围内发光的光源。
Plessey可以采用类似的方法来制造绿色LED。但它没有,因为有一个非常低的效率与绿色发光量子点的发射有关,而绿色发光量子点是由蓝色的源泵浦的。切换到荧光粉没有帮助,因为它解决了一个问题,同时介绍了另一个问题。问题是磷光体粒子比像素大得多——如果它们被磨掉,这就牺牲了它们的效率。
为了避免所有这些问题,Plessey的工程师们制造了本地的绿色发光二极管。他们的效率还没有他们的蓝色兄弟姐妹的效率高——外部量子效率约为17%——但由于眼睛在这个光谱域的灵敏度要高得多,他们对cd m-2(显示器的更重要指标)有了更高的数字。
增强现实
在Plessey的第二代产品生产过程中,制造大量微型LED阵列是关键的一步,该产品将进入增强现实头戴显示设备领域,提供完全沉浸式体验。Lee认为GaN-on-silicon是这类应用的理想技术,因为它的效率延长了电池寿命,同时可以实现高亮度,所以当太阳出来时,头戴显示设备可以在户外使用。
这项技术的功能之一是,它可以将智能手机的图像显示在头戴显示设备上。“这是一个巨大的、不断增长的市场,”Lee说。
许多公司正与Plessey公司合作开发自己的头戴式显示技术。这些合作伙伴承担一次性费用,以支付与新产品的研究、设计、开发和测试有关的费用。
为了展示自己的实力,Plessey最近展示了两个展示。今年5月,在SID显示周上,它宣称已经生产出世界上第一个键合的、可完全寻址的GaN-on硅高清晰度有源矩阵microLED显示屏。它的对角线为0.7英寸,像素为1920x1080像素,尺寸为6微米,间距为8微米。今年9月发布的第二款显示器更为小巧,分辨率为2k×2k,像素间距为2.5微米。
显示器的生产开始于200毫米基板上的LED外延结构的生长,使用的是Aixtron G5+。与Crius II不同,这是一个行星反应堆,因此它提供了更大的均匀性,更重要的是,更低的缺陷水平——尽管从150毫米到200毫米的晶片发生了变化,但整个直径的波长均匀性没有降低。
在晶圆的加工过程中(包括几个光刻和蚀刻步骤),结构中定义了led和台面。后者包含阻挡材料,因此每个LED都与相邻的LED进行光电隔离。
下一步是将每个处理过的外延片连接到背板上。由于全高清显示器包含1920x1080像素,在这个过程中产生了200万个单独的电子键。
Plessey发现,要找到好的背板供应商很有挑战性。这些公司的主要市场——通常是外包生产的设计公司——是为硅显示器上的液晶制造商提供背板。这些是电压驱动的,而microled显示器需要电流驱动。
Jasper Display是一家满足当前驱动背板需求的公司,该公司利用其获得专利的eSP70硅技术生产加工过的200毫米硅片。与Jasper合作,Plessey生产了今年5月发布的0.7英寸对角线显示器。背板为每个像素提供10位单色控制。
最近,Plessey宣布与复合光子学公司合作,后者将为智能玻璃提供硅背板。到明年年中,将提供具有0.26英寸对角线全高清分辨率的样本,以及可接受行业标准MIPI输入的驱动程序显示。
随着显示行业的不断发展,背板制造商将转向300毫米硅片和更小的CMOS工艺。减小CMOS工艺的尺寸是有益的,因为它可以限制LED像素的尺寸。例如,对于2.5μm像素,CMOS工艺的最大尺寸是70纳米。
Plessey完全有能力为最终的转变做准备,因为它的Crius II反应堆可以用来生长300毫米的外延片。当它最终向这个更大的尺寸移动时,成本节约应该随之而来,因为迁移将减少浪费的晶圆的比例。
如今,Plessey开发的像素化高清晰度显示器是单色的,发射蓝色或绿色。显然,这不是市场想要的——它想要全彩色显示器。
竞争对手正在用挑选和放置的方法来追求这一目标。这包括生产三组晶圆-一组是红色微LED,另一组是绿色微LED,第三组是蓝色微LED-并将单个微LED芯片转移到背板上形成RGB像素。努力集中在大规模并行技术上,以加快这一进程。然而,在将每个microLED放置在正确的位置时,存在许多挑战。
Lee和他的同事提倡一种整体式的方法,这样放置和对齐就可以通过平版印刷来控制。这项技术有一个伟大的记录,使硅晶体管的巨大规模,根据摩尔定律。
Plessey的解决方案之一是形成三个独立的microLED显示屏:一个是蓝色,另一个是绿色,第三个是红色。为了产生彩色图像,这三种方法的输出与棱镜相结合。结果得到的图像的通量密度为5w cm-2,这个数字是电视产生的50倍。注意,与红、绿、蓝像素并排相比,这种方法的一个优点是,对于相同尺寸的microLED,图像具有更高的分辨率。
毫无疑问,将红、绿、蓝像素定位在同一背平面上是一个更简洁的解决方案。Plessey已经开始为此努力了。今年10月,该公司宣布,它可以在同一片晶圆上生产蓝色和绿色像素,方法是在另一片晶圆上增加一个LED结构。然而,添加天然的红色微型LED并不容易。
他们能被抓住吗?
Plessey现在显然处于一个很好的位置,拥有一种新颖、强大的技术,正在吸引许多客户。但是,在未来几年内,该公司是否有可能将销售额输给管理费用更低、方法更好或技术模仿的竞争对手?
Lee认为不是。他当然不担心公司试图藐视普莱西的知识产权和逆向工程的过程。那是因为这样做几乎是不可能的。即使将一个成熟的工艺从Aixtron Crius II转移到G5+反应堆似乎是一个相对简单的任务,普莱西经验丰富的工程师团队也花费了大量的时间和精力。
另一个阻碍竞争的巨大障碍是基础设施的成本。这不仅仅是购买Aixtron G5+所需的投资。还需要组装一条专用硅线,包括步进器、蚀刻工具和一套特征化设备。
最后,但决不是最不重要的,Lee认为Plessey比任何试图复制其技术的竞争对手都具有先发优势。“我们在每一笔交易中,”Lee说。
Plessey充满乐观情绪,未来几年将是公司非常激动人心的时刻。它正在寻求签署更多的协议,在CES2020上大放异彩,并开发生产更小像素的工艺。此外,它正在加强其劳动力。“我们希望到2020年6月再雇佣50人,”Lee说。Plessey预计将任命过程工程师、开发工程师以及那些担任领导和管理职务的人员。
所有这些努力都有望为GaN-on-silicon LED提供有史以来第一次重大商业成功的体验。虽然它似乎是将LED照明引入大众的最佳选择,但现在很明显,它的最佳机会是推动microLED显示器的广泛应用。

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