隨著各大科技巨頭爭相推出各種AR和VR設備，進而為用戶提供他們期待已久的生動明亮的圖像，他們最后都遇到了這樣一個共同的瓶頸：紅色Micro-LED芯片的開發。由于材料固有缺陷在器件尺寸非常小時會帶來嚴重影響，目前所有LED的發光效率都會隨著器件尺寸的減小而直線下降，這其中，紅色LED尤為明顯。

根據外媒eetimes報道，最近，總部位于英國的初創公司Kubos半導體提出了一種他們認為可以很好解決該問題的方案。“一直以來，紅色Micro-LED芯片的開發讓人們夜不能寐，因為大家都不能讓用于藍色和綠色LED器件制造的傳統氮化鎵材料在更長的紅色波段下有效工作，”Kubos半導體的首席執行官Caroline O'Brien表示：“如果希望尋找到一個突破口，大家就必須要以一種不同的方式看待這個問題，而這就是我們一直在做的方向。”

那么，紅色Micro-LED芯片的開發到底遇到了什么問題？實際問題就是，將典型的藍色LED從目前的常用尺寸縮小到5微米大小，其發光效率會從90%左右驟降到40%左右。雖然出現了很大的降幅，但從應用角度來看，這已經是能夠接受的了。同樣地情況對紅色LED來說，其發光效率會從60%下驟降到1%左右，如此大的降幅正是目前問題癥結所在，而造成這種差異的主要原因在于制造這些器件所用的材料不同。

迄今為止，藍色和綠色LED通常由氮化銦鎵（InGaN）材料制成。不過，當開發商同樣用InGaN材料制造更長波長的紅色LED器件時，材料成分的細微差別會在器件的發光區域產生強烈的偏振場，正是這種偏振場極大降低了發光效率。因此，大多數器件制造商開始選擇使用磷化銦鎵（InGaP）半導體材料來制造紅色LED器件。在Micro-LED應用及其擴展問題出現之前，這種方法一直很有效。

業內一些最有頭腦的人一直在試圖從現有的Micro-LED材料系統中找到解決方案。藍色激光二極管先驅、諾貝爾獎獲得者中村修二和加州大學圣巴巴拉分校的同事正在從這個方向出發，以通過最大限度地減少缺陷效應，來提高InGaN和InGaP材料制成的紅色Micro-LED芯片的性能。Zhe Zhuang和沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的同事們正在使用一種新的化學處理方法，以提高他們基于GaN材料開發的紅色Micro-LED的發光效率。

實際上，目前全球范圍內的初創企業也都在將精力集中在紅色Micro-LED的制造上。韓國紫外LED制造商Soft Epi正在通過生長工藝的調整，來提高GaN基紅色Micro-LED的發光效率。比利時Imec的衍生公司Micledi最近宣布成功推出了一款發出“法拉利紅”色光的AlInGaP Micro-LED芯片。在英國，劍橋大學的衍生初創公司Porotech開發了多孔GaN晶圓，他們將其稱為PoroGaN，并認為這將是制造可發出各種顏色光Micro-LED芯片的基礎。另外，Porotech最近還與總部位于威爾士的化合物半導體晶圓供應商IQE聯手開發晶圓產品。

不過，在這種日益活躍的技術開發活動中，Kubos半導體公司仍然堅持認為，通用材料系統是藍色、綠色和紅色Micro-LED的最終前進之路。對于這家初創公司的高管來說，這種可以贏得未來勝利的材料是另一種GaN。

采取不同的做法

雖然業界對GaN的熱愛主要集中在具有六方晶體結構的合金上，但同樣來自加的夫大學和劍橋大學的Kubos半導體創始人David Wallis多年來一直在研究一種立方GaN。由于立方GaN具有更高的晶體對稱性，這種GaN變體能夠不受強極化場的影響，而如前述，正是這種強極化場降低了GaN基紅色LED的發光效率。

那么，為什么每個人都關注具有六方晶體結構的GaN呢？實際上，早在20世紀90年代，關于立方GaN的生長研究開始停滯不前，因為這種材料在熱力學上可能不穩定，這使得在大多數襯底上高質量生長這種材料非常困難。大約在同樣的時候，六邊形GaN的生長研究開始火熱了，而且隨著器件開發的步伐加快，大多數研究人員慢慢開始忘記立方GaN。

不過，Wallis和他的同事堅持在一種具有SiC薄層襯底的晶圓上生長立方GaN。英國華威大學的子公司Anvil半導體公司最先為SiC功率電子器件的開發人員設計硅基SiC襯底。后來，Wallis及其團隊成功地在上述襯底上開發了一種生長立方GaN的穩定工藝，并基于該成果建立了Kubos半導體公司。此后，該公司一直在生產150毫米晶圓，采用行業標準的金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）工藝生長立方GaN。

圖1. 通過晶片探測測試的150毫米GaN LED晶圓（圖片來源：Kubos 半導體）

“硅襯底可以與CMOS工藝兼容，由于薄SiC層和立方GaN之間的低晶格失配，我們可以迫使GaN的生長進入立方狀態，”O'Brien說道：“隨著SiC功率器件的商業化，這種SiC薄層的成本將顯著降低，這也讓我們的全套方案，開始能夠與目前使用量子點或在藍寶石襯底上生長GaN的Micro-LED制造方法競爭。”

Kubos打算在更大的200毫米硅基碳化硅晶圓上生長立方GaN，根據O'Brien的說法，這是“真正的最佳成本點”

Kubos的首席執行官Caroline O'Brien認為，圍繞其立方GaN工藝積累的無數專利已經讓該公司具有了非常大的商業優勢。另外她還指出，目前業界只有少數幾個玩家在研究立方氮化鎵，如美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校和倫斯勒理工學院以及德國的帕德博恩大學，而且，這些研究機構目前都還沒有開發商業器件。

O'Brien說道：“立方GaN開辟了一個全新的世界，與生長六邊形GaN的IP雷區相比，立方GaN是一個相對未開發的空間。”

Kubos最近制造了一款50微米直徑的立方GaN非封裝Micro-LED芯片，它可以發射紅光。他們希望據此證明，使用立方GaN方案制造更長波長Micro-LED是可能的。目前，該公司正在增加其晶圓供應，以便支持客戶定制其專有紅色Micro-LED芯片。據O'Brien的估計，這些初始LED器件的外部量子效率約為3%。

圖2. Kubos半導體制作的直徑為50微米的綠色、琥珀色和紅色Micro-LED器件。目前他們正在努力提高紅色LED結構的發光效率（資料來源：Kubos半導體）

O'Brien說：“接近20%的發光效率目標未來是可以實現的，那時，這種Micro-LED技術將在延長電池壽命方面變得非常有意義，我相信這一目標將在未來5年內實現。”

對于正在努力生產高分辨率、高亮度AR/VR智能眼鏡的科技巨頭來說，這種技術和發光器件無疑將是個非常大的好消息，同時它也將讓Kubos半導體公司在未來獲得越來越多的公司垂青甚至收購邀請。

最后，O'Brien說，她的目標包括看到這項技術“被用于各種產品，其中包括傳統的LED照明、通信和Micro-LED。但我確實認為，由于我們行業的潛在性質，我們很可能會被收購。”