红色Micro-LED研发竞赛加速：有望通过材料创新解决发光效率衰减问题

CINNO Research产业资讯，众所周知，为增强现实和虚拟现实设备制作高亮度红色Micro-LED芯片一直都充满了各种困难，现在Kubos半导体提出了一种鲜为人知的材料们，并认为它可以解决这个问题。

随着各大科技巨头争相推出各种AR和VR设备，进而为用户提供他们期待已久的生动明亮的图像，他们最后都遇到了这样一个共同的瓶颈：红色Micro-LED芯片的开发。由于材料固有缺陷在器件尺寸非常小时会带来严重影响，目前所有LED的发光效率都会随着器件尺寸的减小而直线下降，这其中，红色LED尤为明显。

根据外媒eetimes报道，最近，总部位于英国的初创公司Kubos半导体提出了一种他们认为可以很好解决该问题的方案。“一直以来，红色Micro-LED芯片的开发让人们夜不能寐，因为大家都不能让用于蓝色和绿色LED器件制造的传统氮化镓材料在更长的红色波段下有效工作，”Kubos半导体的首席执行官Caroline O'Brien表示：“如果希望寻找到一个突破口，大家就必须要以一种不同的方式看待这个问题，而这就是我们一直在做的方向。”

那么，红色Micro-LED芯片的开发到底遇到了什么问题？实际问题就是，将典型的蓝色LED从目前的常用尺寸缩小到5微米大小，其发光效率会从90%左右骤降到40%左右。虽然出现了很大的降幅，但从应用角度来看，这已经是能够接受的了。同样地情况对红色LED来说，其发光效率会从60%下骤降到1%左右，如此大的降幅正是目前问题症结所在，而造成这种差异的主要原因在于制造这些器件所用的材料不同。

迄今为止，蓝色和绿色LED通常由氮化铟镓（InGaN）材料制成。不过，当开发商同样用InGaN材料制造更长波长的红色LED器件时，材料成分的细微差别会在器件的发光区域产生强烈的偏振场，正是这种偏振场极大降低了发光效率。因此，大多数器件制造商开始选择使用磷化铟镓（InGaP）半导体材料来制造红色LED器件。在Micro-LED应用及其扩展问题出现之前，这种方法一直很有效。

业内一些最有头脑的人一直在试图从现有的Micro-LED材料系统中找到解决方案。蓝色激光二极管先驱、诺贝尔奖获得者中村修二和加州大学圣巴巴拉分校的同事正在从这个方向出发，以通过最大限度地减少缺陷效应，来提高InGaN和InGaP材料制成的红色Micro-LED芯片的性能。Zhe Zhuang和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的同事们正在使用一种新的化学处理方法，以提高他们基于GaN材料开发的红色Micro-LED的发光效率。

实际上，目前全球范围内的初创企业也都在将精力集中在红色Micro-LED的制造上。韩国紫外LED制造商Soft Epi正在通过生长工艺的调整，来提高GaN基红色Micro-LED的发光效率。比利时Imec的衍生公司Micledi最近宣布成功推出了一款发出“法拉利红”色光的AlInGaP Micro-LED芯片。在英国，剑桥大学的衍生初创公司Porotech开发了多孔GaN晶圆，他们将其称为PoroGaN，并认为这将是制造可发出各种颜色光Micro-LED芯片的基础。另外，Porotech最近还与总部位于威尔士的化合物半导体晶圆供应商IQE联手开发晶圆产品。

不过，在这种日益活跃的技术开发活动中，Kubos半导体公司仍然坚持认为，通用材料系统是蓝色、绿色和红色Micro-LED的最终前进之路。对于这家初创公司的高管来说，这种可以赢得未来胜利的材料是另一种GaN。

采取不同的做法

虽然业界对GaN的热爱主要集中在具有六方晶体结构的合金上，但同样来自加的夫大学和剑桥大学的Kubos半导体创始人David Wallis多年来一直在研究一种立方GaN。由于立方GaN具有更高的晶体对称性，这种GaN变体能够不受强极化场的影响，而如前述，正是这种强极化场降低了GaN基红色LED的发光效率。

那么，为什么每个人都关注具有六方晶体结构的GaN呢？实际上，早在20世纪90年代，关于立方GaN的生长研究开始停滞不前，因为这种材料在热力学上可能不稳定，这使得在大多数衬底上高质量生长这种材料非常困难。大约在同样的时候，六边形GaN的生长研究开始火热了，而且随着器件开发的步伐加快，大多数研究人员慢慢开始忘记立方GaN。

不过，Wallis和他的同事坚持在一种具有SiC薄层衬底的晶圆上生长立方GaN。英国华威大学的子公司Anvil半导体公司最先为SiC功率电子器件的开发人员设计硅基SiC衬底。后来，Wallis及其团队成功地在上述衬底上开发了一种生长立方GaN的稳定工艺，并基于该成果建立了Kubos半导体公司。此后，该公司一直在生产150毫米晶圆，采用行业标准的金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺生长立方GaN。

图1. 通过晶片探测测试的150毫米GaN LED晶圆（图片来源：Kubos 半导体）

“硅衬底可以与CMOS工艺兼容，由于薄SiC层和立方GaN之间的低晶格失配，我们可以迫使GaN的生长进入立方状态，”O'Brien说道：“随着SiC功率器件的商业化，这种SiC薄层的成本将显著降低，这也让我们的全套方案，开始能够与目前使用量子点或在蓝宝石衬底上生长GaN的Micro-LED制造方法竞争。”

Kubos打算在更大的200毫米硅基碳化硅晶圆上生长立方GaN，根据O'Brien的说法，这是“真正的最佳成本点”

Kubos的首席执行官Caroline O'Brien认为，围绕其立方GaN工艺积累的无数专利已经让该公司具有了非常大的商业优势。另外她还指出，目前业界只有少数几个玩家在研究立方氮化镓，如美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和伦斯勒理工学院以及德国的帕德博恩大学，而且，这些研究机构目前都还没有开发商业器件。

O'Brien说道：“立方GaN开辟了一个全新的世界，与生长六边形GaN的IP雷区相比，立方GaN是一个相对未开发的空间。”

Kubos最近制造了一款50微米直径的立方GaN非封装Micro-LED芯片，它可以发射红光。他们希望据此证明，使用立方GaN方案制造更长波长Micro-LED是可能的。目前，该公司正在增加其晶圆供应，以便支持客户定制其专有红色Micro-LED芯片。据O'Brien的估计，这些初始LED器件的外部量子效率约为3%。

图2. Kubos半导体制作的直径为50微米的绿色、琥珀色和红色Micro-LED器件。目前他们正在努力提高红色LED结构的发光效率（资料来源：Kubos半导体）

O'Brien说：“接近20%的发光效率目标未来是可以实现的，那时，这种Micro-LED技术将在延长电池寿命方面变得非常有意义，我相信这一目标将在未来5年内实现。”

对于正在努力生产高分辨率、高亮度AR/VR智能眼镜的科技巨头来说，这种技术和发光器件无疑将是个非常大的好消息，同时它也将让Kubos半导体公司在未来获得越来越多的公司垂青甚至收购邀请。

最后，O'Brien说，她的目标包括看到这项技术“被用于各种产品，其中包括传统的LED照明、通信和Micro-LED。但我确实认为，由于我们行业的潜在性质，我们很可能会被收购。”

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