Kyoto/Neuss, 02. Dezember 2022. Der KYOCERA Corporation gelang die Entwicklung einer neuen D?nnfilm-Prozesstechnologie zur Herstellung einzigartiger Silizium(Si)-Substrate f?r Galliumnitrid(GaN)-basierte Mikro-Lichtquellen, einschlie?lich Laser mit kurzem Resonator und MicroLEDs.
Was ist eine Mikro-Lichtquelle?
Lichtquellen mit einer Kantenl?nge von weniger als 100 Mikrometern (1/10 Millimeter) werden als „Mikro-Lichtquelle“ bezeichnet. Beispiele daf?r sind Laser mit kurzer Kavit?t und MicroLEDs. Da sie entscheidende Leistungsvorteile bieten, wie h?here Aufl?sung, geringere Gr??e und geringeres Gewicht, gelten Mikrolichtquellen als unverzichtbar f?r die n?chste Generation von Fahrzeugdisplays, tragbaren intelligenten Brillen, Kommunikationstechnik und medizinischen Ger?ten. Es wird erwartet, dass bis 2026 allein der Markt f?r Mikro-LED-Chips 2,7 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Dies entspricht einer durchschnittlichen j?hrlichen Wachstumsrate (CAGR) von etwa 241 %.(2)
Technische Herausforderungen bei der Herstellung von Mikro-Lichtquellen
Auf Galliumnitrid (GaN) basierende Lichtquellen, sowohl MicroLEDs als auch Laser, wurden in der Regel auf Saphir- und GaN-Substraten gefertigt. Herk?mmliche Verfahren bringen eine d?nne GaN-Schicht f?r die Lichtquelle direkt auf das Saphir-Substrat auf, indem dieses in einer kontrollierten Gasatmosph?re auf eine hohe Temperatur (1000 ?C oder mehr) erhitzt wird. Die aktive emittierende Schicht muss dann vom Substrat abgel?st werden, um eine GaN-basierte Mikro-Lichtquelle zu fertigen. Trotz der steigenden Nachfrage nach kleineren Komponenten stehen bei diesem Prozess drei Schwierigkeiten einem Erreichen der Miniaturisierungsziele in naher Zukunft entgegen:
1. Schwieriges Abl?sen der Leuchtschicht
Bei MicroLEDs erfordern die derzeitigen Verfahren m?hevolle Schritte, um die emittierende Schicht in einzelne Lichtquellen auf dem Substrat aufzuteilen und dann vom Substrat abzuheben. Da die Komponenten immer kleiner werden, kann die technische Herausforderung dieses Separierungsprozesses zu einer unvertretbar geringen Ausbeute f?hren.
2. Hohe Fehlerdichte, unbest?ndige Qualit?t
Die Fertigung von Mikrolichtquellen ist auch deshalb problematisch, weil die emittierenden Schichten auf Saphir, Silizium oder anderen Materialien gez?chtet werden m?ssen, deren Kristallstrukturen sich von denen des GaN unterscheiden. Dies f?hrt zu einer hohen Fehlerdichte und zu Problemen bei der Qualit?tskontrolle.
3. Hohe Fertigungskosten
GaN- und Saphirsubstrate sind sehr teure Materialien. Obwohl Siliziumsubstrate kosteng?nstiger sind als Saphir, ist es extrem schwierig, die GaN Schicht von einem Siliziumsubstrat zu trennen.
Neuentwickeltes Verfahren von Kyocera
Kyocera hat die neue Prozesstechnologie mit Erfolg am unternehmenseigenen Research Institute for Advanced Materials and Devices in Kyoto in Japan entwickelt. In einem ersten Schritt lassen wir eine GaN-Schicht auf einem Siliziumsubstrat wachsen, das in gro?en Mengen und zu niedrigen Kosten verf?gbar ist. Die GaN-Schicht wird dann mit einem nicht mitwachsenden Material maskiert, das eine ?ffnung aufweist. Wenn sich dann eine GaN-Schicht auf dem Si-Untergrund gebildet hat, wachsen die GaN-Kerne ?ber die ?ffnung in der Maske hinaus. Der Kern der GaN-Schicht weist in der Anfangsphase des Wachstums zahlreiche Defekte auf. Aufgrund ihres lateralen Wachstums k?nnen jedoch qualitativ hochwertige GaN-Schichten mit geringer Fehlerdichte erzeugt werden. Aus diesem defektarmen Bereich der GaN-Schicht lassen sich dann erfolgreich Komponenten herstellen.
Vorteile des neuen Verfahrens von Kyocera
1. Leichteres Abtrennen der GaN-Schicht
Durch die Maskierung der GaN-Schicht mit einem nicht wachsenden Material wird die Bindung zwischen Si-Substrat und GaN-Schicht unterdr?ckt, was den Abl?seprozess stark vereinfacht.
2. Hochwertige GaN-Schichten mit geringer Defektdichte
Da das Kyocera-Verfahren GaN mit geringer Defektdichte ?ber einen gr??eren Bereich als bisher z?chten kann, ist eine Herstellung von homogenen GaN Schichten m?glich.
3. Geringere Fertigungskosten
Das neue Verfahren von Kyocera erm?glicht die erfolgreiche und zuverl?ssige Abtrennung der GaN-Schichten vom relativ preiswerten Si-Substrat und senkt die Produktionskosten erheblich.
Einsatzbereiche f?r die Mikro-Lichtquelle
1. Transparentes Fahrzeugdisplay der n?chsten Generation
In Zukunft wird die Einf?hrung des autonomen Fahrens die Nachfrage nach helleren Displays mit hoher Aufl?sung und verbesserter Energieeffizienz steigern, transparente Displays werden neue Anwendungen erschlie?en.
2. Mikro-Lichtquellen f?r AR/VR
Es wird erwartet, dass der Markt f?r Mikrolichtquellen, die im Bereich Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) Verwendung finden, schnell anwachsen wird. Intelligente Brillen und andere Produkte werden entwickelt, um die Schaffung virtueller R?ume ?ber das Metaverse in der VR und die „Smartphone-Entw?hnung“ in der AR zu erleichtern. W?hrend herk?mmliche Halbleiterlaser f?r AR auf eine L?nge von 300 Mikrometern miniaturisiert wurden, erreicht Kyocera weltweit als erstes Unternehmen eine Gr??e von nur 100 Mikrometern. Das Unternehmen konnte diese Gr??e durch die Entwicklung eines v?llig neuen Fertigungsverfahrens erreichen, das eine Weiterentwicklung des Spaltverfahrens darstellt.
Diese sogenannte „neuartige Spaltmethode“ f?hrt zu einer Gr??enreduzierung von etwa 67 % und hilft, den Stromverbrauch zu minimieren. Halbleiterlaser mit geringerem Stromverbrauch erm?glichen es, die Gr??e und das Gewicht des Akkus zu verringern und somit die Integration zu erleichtern.
Kyocera wird eine breite Palette von Plattform-, Substrat- und Prozesstechnologien anbieten, um in naher Zukunft hochwertige und kosteng?nstige Mikrolichtquellen auf den Markt zu bringen, die den Kern zuk?nftiger Displaytechnologien darstellen.
(1) Weltweit kleinster Laserchip: Unter den kantenemittierenden Lasern auf GaN-Basis, die auf Siliziumsubstraten ausgeformt werden. Quelle: Kyocera, September 2022).
(2) Quelle: TrendForce „Micro LED Large-Sized Display Chip Market Estimated to Reach 2.7 Billion US dollars by 2026, laut TrendForce (August, 2022).
Keywords:GaN, Laser Chip, Kyocera, autonomes Fahren, AR, VR
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