高清晰小尺寸，日本开发最小的硅衬底GaN激光芯片

据业内消息，近日日本京都京瓷公司开发了一种新的薄膜工艺技术，用于制造基于GaN的微光源(即边长<100μm)的独特硅衬底，包括短腔激光器和微光LED。

因具有具有更高清晰度、更小尺寸以及更轻重量等关键性能优势，微光源被认为是下一代汽车显示器、可穿戴智能眼镜、通信设备和医疗设备的重要材料。

预计到2026年，仅Micro-LED芯片的市场就将以约241%的复合年增长率(CAGR)增长至27亿美元。

包括micro-LED和激光这类基于GaN的光源设备通常是在蓝宝石和GaN衬底上制造的。

传统工艺通过在受控气体气氛中将其加热到(1000°C甚至更高)的高温，直接在蓝宝石衬底上形成用于光源的薄GaN器件层，然后必须从衬底上移除(剥离)器件层以创建基于GaN的微光源器件。

虽然更小设备是未来的趋势而且其需求也不断增加，但是目前3个技术门槛分别是：器件层难以剥离、高缺陷密度质量参差、高制造成本。

对于Micro-LED，现有工艺需要困难的步骤才能将器件层分成基板上的单个光源，然后将器件层与基板分离，但是随着设备变得越来越小，这种剥离过程的技术挑战可能导致无法接受的低产量。

微光源的制造也存在问题，因为器件层必须沉积在蓝宝石、硅或其他晶体结构与器件层不同的材料上，这造成了高缺陷密度和固有的质量控制挑战。

GaN和蓝宝石衬底非常昂贵，虽然硅衬底的成本低于蓝宝石，但将器件层与硅衬底分离却极为困难。

京瓷在其位于京都的先进材料和器件研究所开发了新工艺技术，在硅衬底上生长了一个GaN层，可以以低成本大批量生产，然后用中心有开口的非生长材料掩蔽GaN层。

当在硅衬底上形成GaN层时，GaN核在掩模的开口上方生长。GaN层是生长核，在生长初期缺陷较多，但通过横向形成GaN层可以创建具有低缺陷密度的高质量GaN层，并且可以从GaN层的这个低缺陷区域成功制造器件。

京瓷将新工艺的优势列为：

GaN器件层更容易剥离

用不生长的材料掩蔽GaN层可以抑制Si衬底和GaN层之间的结合，从而大大简化剥离过程。

具有低缺陷密度的高质量GaN器件层

由于Kyocera的工艺可以在比以前更广的区域沉积低缺陷GaN，因此可以一致地制造高质量器件层。

降低制造成本

Kyocera的新方法促进了GaN器件层与相对便宜的Si衬底的成功和可靠分离，这将大大降低制造成本。

微光源的应用列举如下：

下一代车用透明显示器

未来随着自动驾驶的到来，对更亮、更清晰、更省电、更透明、更低成本的显示器提出了需求。

用于AR/VR的微光源

用于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)的微光源市场有望迅速扩大正在开发智能眼镜和其他产品，以通过VR中的虚拟世界和AR中的“去智能手机”来促进虚拟空间的创建。

虽然用于AR的传统半导体激光器已经小型化到长度只有300微米，但京瓷表示它是第一个达到100微米尺寸的公司，其认为这是通过开发一种全新的生产工艺实现的，该工艺是切割方法的演变。

这种新颖的切割方法可使尺寸减小约67%，并有助于将功耗降至最低，具有较低功耗的半导体激光器可以减小电池的尺寸和重量，从而提高适配性。

京瓷认为其提供广泛的平台、基板和工艺技术以在不久的将来将高质量、低成本的微光源推向市场，因为它的目标是利用新平台。