10月9日-11日，由中國材料研究學會主辦的第四屆中國新材料產業發展大會在溫州隆重舉行，這是集中力量解決在關鍵核心領域新材料“卡脖子”問題的一次盛會。

    來自全國各地的6000余名新材料專家、企業家、投資家、當地高等院校和企事業單位的代表以及51位兩院院士出席了本次大會。

    光電材料顯示分論壇，晶能光電副總裁付羿博士受邀分享了以《硅襯底GaN材料在光電器件中的應用》為主題的報告，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。此外，本次大會晶能光電榮獲大會頒發的“創新型新材料企業”。

    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。