Dünnfilm-Prozesstechnik GaN-auf-Silizium-Laserchip für Mikro-Lichtquellen

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Einen winzigen Laserchip auf GaN-Basis für Mikro-Lichtquellen in Längen von wenigen 100 µm hat Kyocera entwickelt. Damit sollen sich günstige Laser und Mikro-LED-Displays in hoher Stückzahl fertigen lassen.

GaN-Laserchips auf Siliziumsubstrat-Basis: Kyocera will damit Mikro-Lichtquellen mit einer Länge von 100 µm preiswert und in hohen Stückzahlen herstelle. Sie lassen sich für AR/VR-Brillen oder Mikro-LED-Displays verwenden.
GaN-Laserchips auf Siliziumsubstrat-Basis: Kyocera will damit Mikro-Lichtquellen mit einer Länge von 100 µm preiswert und in hohen Stückzahlen herstelle. Sie lassen sich für AR/VR-Brillen oder Mikro-LED-Displays verwenden.
(Bild: (c) Syda Productions - stock.adobe.com)

Auf Basis einer neuen Dünnfilm-Prozesstechnik ist es dem Tech-Unternehmen Kyocera gelungen, Silizium(Si)-Substrate für Galliumnitrid-(GaN-)basierte Mikro-Lichtquellen herzustellen. Mit der Technik sollen sich nach eigenen Angaben Laser mit kurzem Resonator und Mikro-LEDs produzieren lassen. Lichtquellen mit einer Kantenlänge von weniger als 100 µm (1/10 mm) werden als „Mikro-Lichtquelle“ bezeichnet.

Beispiele dafür sind Laser mit kurzer Kavität und Mikro-LEDs. Da sie entscheidende Leistungsvorteile bieten, wie höhere Auflösung, geringere Größe und geringeres Gewicht, gelten Mikrolichtquellen als unverzichtbar für die nächste Generation von Fahrzeugdisplays, tragbaren intelligenten Brillen, Kommunikationstechnik und medizinischen Geräten.

Aktuelle Verfahren erlauben keine kleineren Laserchips

Der Laser mit einer Länge von 100 Mikron. Entwickelt wurde er von Kyocera.
Der Laser mit einer Länge von 100 Mikron. Entwickelt wurde er von Kyocera.
(Bild: Kyocera)

Auf Galliumnitrid (GaN) basierende Lichtquellen, sowohl MikroLEDs als auch Laser, wurden in der Regel auf Saphir- und GaN-Substraten gefertigt. Herkömmliche Verfahren bringen eine dünne GaN-Schicht für die Lichtquelle direkt auf das Saphir-Substrat auf, indem dieses in einer kontrollierten Gasatmosphäre auf eine hohe Temperatur (1.000 °C oder mehr) erhitzt wird.

Die aktive emittierende Schicht muss dann vom Substrat abgelöst werden, um eine GaN-basierte Mikro-Lichtquelle zu fertigen. Aktuell steigt die Nachfrage nach kleineren Komponenten. Allerdings stehen bei diesem Prozess drei Schwierigkeiten im Weg, um die Ziele für kleinere Komponenten zu erreichen:

  • Schwieriges Ablösen der Leuchtschicht: Bei Mikro-LEDs erfordern die derzeitigen Verfahren mühevolle 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 führen.
  • Hohe Fehlerdichte, unbeständige Qualität: Die Fertigung von Mikrolichtquellen ist deshalb problematisch, weil die emittierenden Schichten auf Saphir, Silizium oder anderen Materialien gezüchtet werden müssen, deren Kristallstrukturen sich von denen des GaN unterscheiden. Dies führt zu einer hohen Fehlerdichte und zu Problemen bei der Qualitätskontrolle.
  • Hohe Fertigungskosten: GaN- und Saphirsubstrate sind sehr teure Materialien. Obwohl Siliziumsubstrate kostengünstiger sind als Saphir, ist es extrem schwierig, die GaN Schicht von einem Siliziumsubstrat zu trennen.

Vorteile des neuen Fertigungsverfahrens

Das Substrat für die Mikro-LED.
Das Substrat für die Mikro-LED.
(Bild: Kyocera)

Detaiansicht des Laser mit einer Länge von 100 Mikron.
Detaiansicht des Laser mit einer Länge von 100 Mikron.
(Bild: Kyocera)

In einem ersten Schritt lassen die Experten von Kyocera eine GaN-Schicht auf einem Siliziumsubstrat wachsen, das in großen Mengen und zu niedrigen Kosten verfügbar ist. Die GaN-Schicht wird dann mit einem nicht mitwachsenden Material maskiert, das eine Öffnung aufweist. Wenn sich dann eine GaN-Schicht auf dem Si-Untergrund gebildet hat, wachsen die GaN-Kerne über die Öffnung in der Maske hinaus. Der Kern der GaN-Schicht weist in der Anfangsphase des Wachstums zahlreiche Defekte auf.

Die GaN-Schichten für die Mikro-Lichtquellen.
Die GaN-Schichten für die Mikro-Lichtquellen.
(Bild: Kyocera)

Aufgrund ihres lateralen Wachstums können jedoch qualitativ hochwertige GaN-Schichten mit geringer Fehlerdichte erzeugt werden. Aus diesem defektarmen Bereich der GaN-Schicht lassen sich dann erfolgreich Komponenten herstellen.

  • 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 unterdrückt, was den Ablöseprozess stark vereinfacht.
  • Hochwertige GaN-Schichten mit geringer Defektdichte: Da das Kyocera-Verfahren GaN mit geringer Defektdichte über einen größeren Bereich als bisher züchten kann, ist eine Herstellung von homogenen GaN Schichten möglich.
  • Geringere Fertigungskosten: Das neue Verfahren von Kyocera ermöglicht die erfolgreiche und zuverlässige Abtrennung der GaN-Schichten vom relativ preiswerten Si-Substrat und senkt die Produktionskosten.

Transparente Fahrzeugdisplays und AR/VR

Die Mikro-LED-Lichtquellen lassen sich unter anderem in transparenten Fahrzeug-Displays einsetzen. Grund ist die steigende Nachfrage nach helleren Displays mit einer hohen Auflösung bei gleichzeitig verbesserter Energieeffizienz. Transparente Displays mit Mikro-LEDs werden dabei auch neue Anwendungen erschließen.

Daneben finden Mikro-LEDs auch Einsatz in Augmented und Virtual Realtity (AR/VR). Brillen und andere Produkte werden entwickelt, um die Schaffung virtueller Räume über das Metaverse in der VR und die „Smartphone-Entwöhnung“ in der AR zu erleichtern. Während herkömmliche Halbleiterlaser für AR auf eine Länge von 300 µm miniaturisiert wurden, erreicht Kyocera weltweit als erstes Unternehmen eine Größe von nur 100 µm. Diese sogenannte „neuartige Spaltmethode“ führt zu einer Größenreduzierung von etwa 67 Prozent und hilft, den Stromverbrauch zu minimieren. Halbleiterlaser mit geringerem Stromverbrauch ermöglichen es, die Größe und das Gewicht des Akkus zu verringern und somit die Integration zu erleichtern.

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