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複合式金屬基板應用於超高功率紅光發光二極體技術開發與可行性評估
分類:國科會工程處產學計畫成果專文
發行期別:
發佈日期:2021-07-06
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科技部工程司109年度產學計畫優良成果|電子資通領域

 

複合式金屬基板應用於超高功率紅光發光二極體技術開發與可行性評估

計畫基本資料

編號:MOST 108-2622-E-009-009-CC2

執行單位:國立交通大學電子研究所

主持人:洪瑞華

參與人員:邱子臣、張豈銘、蔡明峰、陳奕帆、肯席瑞、澹台富國

合作企業:晶呈科技股份有限公司

 

文/圖:洪瑞華  編輯:張萬珍

 

洪瑞華教授(中)與學生合影

 

 

猶記得三年前,晶呈科技研發處長來交大拜訪我,第一句話就說:「老師,我們公司不是製作LED,對相關製程完全不清楚,可是有一樣東西,希望有機會應用到這上面,或許可以改變LED的市場。」

 

當時,我心中起了一個大問號,因為LED已落入「四大慘業」之一,這家公司卻又不畏懼投入此紅海之產業。儘管如此,以晶圓貼合製作薄膜型高功率LED已經廣泛應用於高功率LEDs,特別是矽基板或銅鎢基板,而此一技術也是本實驗室的核心技術。

 

晶呈科技的馮處長很期待我們可以協助驗證該公司的新材料,也因此展開雙方的合作。經過一年,對於該公司的複合式磁性金屬基板(CMW)有一些認識,也完成了可行性評估後,即展開此兩年期的科技部產學合作研究計畫。

 

這期間,我們研究團隊協助公司建立CMW基板應用於LED的標準作業流程, 建立公司的CMW材料特性表,並驗證LED/CMW與LED/Si或LED/CuW特性的比較,更發現該公司的CMW基板具有磁性,且因為是複合式基板,更可在完成LED/CMW製程後,以化學蝕刻製程製作超薄基板的高功率LED,甚至應用於MicroLED,解決現今MicroLED因無基板的支撐而過於脆弱的問題, 甚至可應用磁性進行巨量轉移。

 

複合式磁性金屬基板(CMW)實品

 

這些發現,不僅只是完成本計畫的產學目標,亦衍生後續更大的產業應用,就如同晶呈公司陳亞理總經理所言:「蹲十年鑽研特殊氣體,兩招打底致勝!」 晶呈科技打底致勝的其中一招即為本計畫衍生成果—垂直式具磁性基板之microLED。花費十年的時間,晶呈不但為特殊氣體事業奠定基礎,期待MicroLED新成長動能在2021年開始逐步挹注營收,讓多年打底的成果逐漸展現,該公司有信心接下來能有更好的成績。

 

晶呈科技從一家藉由攜手俄羅斯企業發展特殊氣體事業的公司,花了十年時間,進展成為台積電、聯電與日韓半導體大廠密不可分的合作夥伴。在站穩既有市場後,該公司探索特殊氣體向外延伸的多元化商機,開發一新材料CMW,原本只希望能應用於特殊氣體用的鋼瓶開發,為該材料找一出路,因而跨入完全不熟悉的LED產業;儘管如此,藉由學校的資源共同執行科技部工程司產學合作研究計畫,不僅為該公司開發出一新事業,在現今microLED全球技術如火如荼開展之際,將CMW應用於LED不僅研製出一機械強度夠的MicroLED,更開發出與現有市場差異化的垂直式MicroLED,做出不一樣與堅持正確方向的產業,亦能將紅海產品變成藍海市場的產品。

 

這項計畫培育了1位博士生和4位碩士生,其中有2位碩士生畢業後任職於業界。值得一提的是一位來自印度的學子Shreekant Siha,他從來不知何謂LED, 更從來不知道磊晶膜可以和晶圓貼合,在與晶呈科技的產學合作計畫目標下,我盡心盡力的指導他,看著他經歷進行磊晶膜貼合後碎裂的經驗,破裂的現象讓他緊張到心情也跟著碎裂。然而透過一次又一次的實驗,終於調整出完整貼合的參數,也順利的100 %將磊晶膜貼合至CMW基板。令人興奮的是研究過程我們無意中發現CMW基板具有磁性,也具有蝕刻選擇比的特性,這些發現,不僅申請了專利,還讓Shreekant順利撰寫了3篇國際期刊論文,並獲得OPTIC論文獎。這些成果不僅讓Shreekant得以作為其博士論文的主題,或許,畢業後他會回到印度生產製造MicroLEDs!!

 

這項計畫成果可應用於LED磊晶廠產業、微顯示器產業、高功率LED、雷射、微發光二極體顯示器、半導體中3D IC封裝業及矽光子光通訊產業。同時,由於可以化學蝕刻CMW,且其為三明治結構,未來可以化學蝕刻至小於20 µm,並以化學蝕刻成晶粒,有助於解決現今microLED無基板容易破裂的問題。此外,因為CMW具磁性,我們開發的磁性巨量轉移技術未來可製作成 Micro LED Display。

 

此研究的CMW基板為50 μm,不僅可以提升LED本身的散熱能力,還可以製作成可撓式LED,也可以利用此基板磁性的性質,應用在Micro LED大量轉移技術上,利用磁鐵大量轉移且準確地將Micro LED 放置在其他基板上,未來其應用無限寬廣。

 

 

此研究所使用的50 μm x 50 μm CMW基板

 

我們更驗證此具磁性的CMW基板可應用於另一重要的半導體產業做為檢測用的探針卡的探針,為公司開發出另一重要的產業應用。

 

本計畫第二年將CMW 50 μm基板應用於LED製程相關參數,已開發建立完成,並驗證CMW基板不論是製程、光電特性及熱阻特性甚至價格比較,LEDs/CMW皆比LEDs/CuW具有優勢,可取代現有高功率LED所用CuW基板。

 

經過執行計畫兩年期間的驗證,其100 µm與50 µm CMW基板已可順利使用於紅光LED,後續將繼續把此一基板應用於藍綠光發光二極體,提供藍綠光發光二極體基板的另一選擇。

 

交通大學的研究團隊已建立相關製程參數,並協助推廣於國內各大LED廠。未來,產品的效益將不僅止於該公司金屬基板的產值,也可使現有的超高功率紅光LED 製作成本下降,並應用於現今很重要的microLEDs產品,提高該產品的獲利。

 

我衷心認為,藉由產學合作研究計畫讓學校單位和各企業建立長久的合作關係,是協助晶呈科技這類想要開發新事業的中小企業最好的平台,將能幫助他們縮短建立量產時程,推廣業務,達成三贏的局面。