【獨家專訪】GaN-on-Si晶圓搭配半導體技術,ALLOS將掀起Micro LED產業革命

能達到高解析度、高對比度、高亮度顯示效果的Micro LED顯示器,早在2012年就已經出現初代樣品,但受限於超高難度的製造過程,至今仍被業界視為「夢幻級產品」。近年來,在大廠領軍推動下,雖然已經有愈來愈多的樣品持續現蹤,不過要真正進入到市場消費端,根據業內人士推估,還要至少3年以上的時間。

為突破Micro LED顯示技術發展,勢必得解決巨量轉移製程這個大難關。目前已經有許多技術單位開發出不同取向的轉移方式,包括轉印、流體組裝、噴墨列印等等,但這些方法在後續的Micro LED晶片處理過程中,始終受限於低良率,難以達到量產需求。

不過,德國的磊晶技術公司ALLOS跳出既有框架,指出其GaN-on-Si矽基氮化鎵LED的技術,將成為解決上述各種Micro LED挑戰的關鍵,能夠突破現存的良率限制,迎向量產目標。

ALLOS技術長Atsushi Nishikawa博士接受LEDinside專訪,說明他們力推的GaN-on-Si矽基氮化鎵技術如何徹底顛覆現今Micro LED製程技術的發展路徑,並開創全新的產業生態系。


(ALLOS技術長Atsushi Nishikawa博士;圖片來源:ALLOS)

拋開藍寶石基板,用GaN-on-Si晶圓跳出當前Micro LED製程限制

ALLOS目前正積極推動在Micro LED顯示技術上導入GaN-on-Si矽基氮化鎵晶圓應用,走出另一條與既有的藍寶石基板LED晶圓技術完全不同的道路。Nishikawa認為,採用矽基晶圓將是Micro LED技術推進的關鍵解方。

「以矽基板來取代藍寶石製造Micro LED晶片,能夠大幅增加良率跟成本優勢」Nishikawa指出,以矽基版製作的LED晶片,在Micro LED顯示製程上具備三大優勢。

首先,若採用矽基晶圓,LED晶片廠商便能與半導體晶圓代工廠商合作,使用已經成熟的半導體設備來處理微小的Micro LED晶片,毋須另外投資新設備且能達到更高精度。此外,處理AR應用的單片晶圓微顯示器時,更大尺寸的矽基板LED晶圓能夠直接結合CMOS驅動背板,不需再經過多次轉移步驟。最後,在轉移完成時,移除矽基板的技術也比分離藍寶石基板更為成熟,省去弱化結構以及雷射分離等可能影響LED晶片發光效率的方法。


(ALLOS說明矽晶圓LED能達成更有效率的Micro LED製程)

換言之,目前Micro LED顯示技術所面對的主要難題,包括巨量轉移、晶片檢測以及驅動整合等,大多能透過整合矽基晶圓LED,以及半導體設備技術來改善。

不過,一旦將目標放在使用大尺寸矽基LED並採用半導體製程技術來直接整合驅動背板時,晶圓本身的均勻性就更加重要,而這也是ALLOS的技術核心。

獨家技術實現高均勻性200 mm矽基晶圓,攜手KAUST研發紅光LED

「ALLOS的200mm(8吋)GaN-on-Si晶圓已經可以達成量產標準!」Nishikawa強調,ALLOS的技術能夠重複生產波長一致性非常高的200 mm晶圓,波長標準差皆低於 1 nm。

Nishikawa說明,大尺寸的矽晶圓LED挑戰非常高,因為發光波長的差異非常容易受到多量子井的溫度變異影響。即便溫度只有些微改變,晶圓的均勻度跟波長一致性就會改變。更麻煩的是,晶圓在冷卻的過程中,形狀也會變化且很容易因此碎裂。而ALLOS則透過獨家應變工程技術,來補強晶片在冷卻中改變形狀的問題。

ALLOS的應變工程技術能嚴格地控制溫度,並設計出完美的弧度,讓晶片在經過冷卻過程後,能達到完全平坦。

目前ALLOS已經能夠產出波長一致性低於0.6 nm的200 mm Micro LED晶圓,且完全沒有裂紋。而其反覆產出波長均一性低於1 nm的晶圓,也證實了其技術的量產能力。現階段ALLOS正試圖讓已經實現的300 mm(12吋)晶圓的均勻度跟量產性也能達到同一等級。


(ALLOS打造的300mm/12吋矽基Micro LED晶圓)

除了繼續投入300 mm晶圓研發,ALLOS近來也宣布跟阿布都拉國王科技大學KAUST合作,將共同開發矽基板的紅光Micro LED。

KAUST團隊在今年稍早宣布開發出一種晶體生長系統,能夠產出高效率的InGaN紅光Micro LED,而接下來則將與ALLOS合作,把此方法應用在矽基晶圓上,加速實現全彩Micro LED顯示製造技術。

大尺寸矽晶圓降低成本,結合半導體技術翻轉Micro LED生態系

談及對於Micro LED技術的展望,Nishikawa強調:「採用大尺寸矽基晶圓跟結合半導體技術設備,將是加速Micro LED顯示技術進入市場的關鍵。」

ALLOS也透過技術證明,200 mm的高均勻性且無裂痕的Micro LED矽晶圓已經可以量產,且同樣的技術亦適用於更大尺寸的300 mm。Nishikawa指出,大尺寸矽晶圓不僅能降低單位面積的成本,還能導入更精細的半導體CMOS產線,無論在良率或成本上,都完勝傳統LED的生產模式。因此,他認為結合半導體技術將是Micro LED量產的契機。

事實上,將半導體設備導入Micro LED製程也是當前許多廠商看好的方向。近來傳出夏普開發的Micro LED顯示器,即是採用鴻海集團內部的半導體技術打造而成。而TrendForce分析師儲于超也曾指出,蘋果可能會借用台積電的半導體設備來開發新的Micro LED轉移技術。

而ALLOS的矽晶圓技術,將加快驅動Micro LED與半導體技術的整合,也有望替為Micro LED異質介面增添更多解決方案。目前ALLOS正攜手產業鏈合作夥伴,繼續推進大尺寸晶圓開發,進一步降低Micro LED顯示器的製造成本,並期盼延伸更多合作機會,將Micro LED矽晶圓技術發揚光大。

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