晶能光電副總裁付羿博士在近期的大會上分享了《硅襯底GaN材料在光電器件中的應用》為主題的報告，著重介紹了硅襯底GaN材料應用與前景、硅襯底GaN基LED產業化以及硅襯底GaN基Micro-LED的最新進展。

GaN材料與應用

GaN寬禁帶半導體是開發新型顯示、高頻電力電子開關、和微波通訊器件的重要材料平臺。基于不同襯底、生長技術、外延結構的Ga(InAl)N材料體系分別用于產業化制備半導體激光器、射頻PA、功率HEMT、通用照明LED、新型顯示Micro-LED等等。

大尺寸硅襯底GaN晶圓可以充分借助集成電路工藝和設備，實現高效率、高良率，低成本的精細化器件制程，并發揮與CMOS背板高度功能集成的潛力優勢。但進入上述甜蜜區之前，大尺寸硅襯底GaN材料必須突破材料質量、材料均勻性、表面潔凈度、晶圓翹曲等等產業化關鍵指標的挑戰。

高質量、大尺寸的硅襯底GaN晶圓生長的技術難點主要源于三個方面：硅襯底和GaN的晶格失配導致的高缺陷密度，熱膨脹系數失配導致的張應力、以及為避免Ga:Si反應必須導入的厚AlN成核層。

硅襯底GaN材料在中低功率的高頻HEMT和LED專業照明領域已經實現規模商用。基于硅襯底GaN材料的Micro LED微顯技術和低功率PA正在進行工程化開發。DUV LED、GaN LD以及GaN/CMOS集成架構尚處于早期研究階段。

硅襯底GaN基LED產業化

晶能光電是全球首家實現硅襯底GaN基藍光LED產業化的企業，解決了硅襯底和GaN材料之間的兩大“失配”導致的關鍵技術難題。

經過17年的技術迭代創新，具備365-650nm全色系硅襯底GaN LED外延技術，晶能光電成為LED光源IDM全產業鏈的創新者和產業推動者，成功將硅襯底GaN基LED應用于汽車照明、手機閃光燈、智能穿戴、電視背光、移動照明、戶外照明、高清直顯等中高端細分領域。

同時，晶能光電已開發出4-8英寸硅襯底GaN基紅\綠\藍Micro-LED外延技術，制得3μm Micro LED陣列樣品。

12英寸硅襯底GaN外延進展

Micro-LED在短、中期的主要市場驅動力是通過巨量轉移的中、大屏和可穿戴顯示。這一階段的芯片制備主要基于4英寸藍寶石襯底GaN晶圓和LLO技術。

Micro-LED另一重要應用場景是和CMOS底板直接鍵合的高PPI投影、輔助/虛擬現實設備的近眼顯示。基于8英寸及以上的硅襯底GaN晶圓和CMOS底板、并借鑒成熟的IC工藝和設備，可以有效提高制程效率和良率，降低制造成本，推動Micro-LED微顯技術的應用落地。

不僅眾多初創企業在專注基于硅襯底GaN的Micro LED技術開發，中美日韓主要消費電子企業也都在這一新興領域積極布局，從4英寸工藝研發過渡到8英寸量產, 最終升級到12英寸晶圓制程。

付羿博士分享了晶能光電在12英寸硅襯底紅、綠、藍LED外延開發方面的進展，并展示了12英寸外延片的PL/XRD/AFM等具體材料測試數據。12英寸硅襯底外延片在室溫翹曲、裂紋控制、和材料質量均勻性上展現了很好的工程化可行性。

硅襯底GaN材料的前景和挑戰

付羿博士介紹到，在硅襯底GaN上制備的DUV LED和激光器等報道展現了令人振奮的研究結果。但目前硅襯底GaN的材料質量還是制約其實際應用的拓展。DUV-LED的內量子效率對位錯密度非常敏感。

GaN激光器的效率和可靠性更加依賴GaN材料質量，硅襯底GaN位錯密度典型值1~5E8 / cm2, 遠高于制備商業GaN激光器的自支撐GaN襯底（<1E6/cm2）。

考慮到良率、成本、和實際效果等因素，常規的圖形襯底和在位插入層等技術并不合適于硅襯底GaN材料生長的產業化應用。大尺寸、高質量的硅襯底GaN需要創新的生長技術，和針對硅襯底GaN光電器件開發的專用生長設備。

結語

不同的GaN器件各自對應最佳的GaN材料/襯底體系，硅襯底GaN材料的潛力領域在于大尺寸、高集成、和細微化制程，作為AR設備核心組件的Micro LED微顯有望成為硅襯底GaN技術的重大市場機遇。

晶能光電堅信硅襯底GaN技術的廣闊前景，并且希望能與業內同行一道推動行業發展。

（文：晶能光電）