Kyocera développe une nouvelle puce laser GaN, la plus petite au monde* à être produite en série à partir d'un substrat de travail en silicium

Qu'est-ce qu'une micro-source lumineuse ?

Une « micro-source lumineuse » est une source lumineuse dont le côté mesure moins de 100 microns (1/10ème de millimètre). Parmi les exemples figurent les lasers à cavité courte et les micro-LED. Compte tenu du fait qu'elles offrent des avantages de performance clés, tels qu'une définition plus élevée, une taille plus petite et un poids plus léger, les micro-sources lumineusessont considérées comme essentielles pour les écrans automobiles de nouvelle génération, les lunettes intelligentes, les équipements de communication et les dispositifs médicaux. Le marché des puces micro-LED à lui seul devrait atteindre 2,7 milliards de dollars d'ici 2026, soit un taux de croissance composé annuel (TCAC) d'environ 241 %.**

Enjeux techniques dans la fabrication de micro-sources lumineuses

Les dispositifs de source lumineuse à base de GaN, à la fois micro-LED et laser, ont généralement été fabriqués sur des substrats de saphir et de GaN. Les processus conventionnels consistent à former une fine couche de dispositif GaN pour la source lumineuse directement sur le substrat en saphir par l’action d’une exposition à une température élevée (1 000 °C ou plus) dans une atmosphère gazeuse contrôlée. La couche de dispositif doit ensuite être retirée ou « pelée » du substrat afin de créer un dispositif de micro-source lumineuse à base de GaN. Cependant, malgré la demande croissante d'appareils plus petits, trois défis distincts limitent la capacité de ce processus à atteindre les objectifs de miniaturisation dans un proche avenir :

1. Difficulté à peler la couche de dispositif
Dans le cas des micro-LED, les processus actuels impliquent des étapes difficiles pour diviser la couche de dispositif en plusieurs sources lumineuses individuelles sur le substrat, puis pour séparer (ou « peler ») la couche de dispositif du substrat. Comme les appareils deviennent de plus en plus petits, l’enjeu technique de ce processus de séparation peut entraîner un rendement intolérablement faible.

2. Forte densité de défauts, qualité hétérogène
La fabrication de micro-sources lumineuses est également problématique du fait que les couches de dispositif doivent être déposées sur du saphir, du silicium ou d'autres matériaux comportant des structures cristallines qui diffèrent de celle de la couche de dispositif. Cela engendre une forte densité de défauts et des problématiques inhérentes de contrôle de la qualité.

3. Coûts de fabrication élevés
Les substrats GaN et saphir sont des matériaux très coûteux. Bien que les substrats de silicium soient moins chers que le saphir, la séparation de la couche de dispositif d'un substrat de silicium est extrêmement difficile.

Nouveau procédé mis au point par Kyocera

Kyocera a développé avec succès la nouvelle technologie de procédé à l'Institut de recherche sur les matériaux et dispositifs avancés de la société à Kyoto, au Japon. Tout d'abord, la société développe une couche de GaN sur un substrat en Si qui est disponible en gros volumes à faible coût. La couche de GaN est ensuite masquée avec un matériau non croissant qui présente une ouverture au centre. Après cela, lorsqu'une couche de GaN se forme sur le substrat en Si, des noyaux de GaN se développent sur l'ouverture dans le masque. La couche de GaN, étant un noyau en croissance, présente de nombreux défauts au stade initial de sa croissance. Cependant, en formant la couche de GaN latéralement, des couches de GaN de haute qualité avec une faible densité de défauts peuvent être créées et des dispositifs peuvent être fabriqués avec succès à partir de cette zone à faible défaut de la couche de GaN.

Avantages du nouveau procédé de Kyocera

1. Décollement plus facile de la couche de dispositif GaN
En masquant la couche de GaN avec un matériau qui ne se développe pas, on supprime la liaison entre le substrat de Si et la couche de GaN, ce qui simplifie grandement le processus de pelage.

2. Couches de dispositifs GaN de haute qualité avec une faible densité de défauts
Étant donné que le processus de Kyocera peut déposer du GaN à faible défaut sur une zone plus large qu'auparavant, une fabrication homogène de couches de dispositifs de haute qualité est alors possible.

3. Coûts de fabrication faibles
La nouvelle méthode de Kyocera facilite la séparation correcte et fiable de la couche de dispositif GaN du substrat Si qui est relativement peu coûteux. Ce procédé permet de réduire considérablement les coûts de fabrication.

Applications de micro-sources lumineuses

1. Écran transparent automobile de nouvelle génération
Dorénavant, l'avènement de la conduite autonome créera une demande d’écrans plus lumineux, de meilleure définition, économes en énergie, plus transparents et à moindre coût.

2. Micro-sources lumineuses pour RA/RV
Le marché des micro-sources lumineuses utilisées dans la réalité augmentée (RA) et la réalité virtuelle (RV) devrait se développer rapidement. Des lunettes intelligentes et d'autres produits sont en cours de développement afin de faciliter la création d'espaces virtuels à travers le métaverse en RV et le « dé-smartphoning » en RA. Alors que les lasers à semi-conducteurs conventionnels pour la RA ont été miniaturisés à une longueur aussi petite que 300 microns, Kyocera est le premier dans le monde à atteindre une taille de seulement 100 microns. La société a pu atteindre cette taille en développant un tout nouveau processus de production qui est une évolution de la méthode de clivage. Cette « nouvelle méthode de clivage » se traduit par une réduction de taille d'environ 67 % et permet de minimiser la consommation d'énergie. Les lasers à semi-conducteurs à faible consommation d'énergie permettent de réduire la taille et le poids de la pile, améliorant ainsi son assemblage.

Kyocera proposera une large gamme de plates-formes, de substrats et de technologies de processus pour commercialiser dans un avenir proche des micro-sources lumineuses de haute qualité et à faible coût. Nous visons également à transformer les marchés des écrans et des lasers de nouvelle génération à l'aide de cette nouvelle plate-forme.

*La plus petite au monde : ce sont des lasers à émission par le bord à base de GaN formés à partir de substrats en silicium.
(Source : Kyocera, septembre 2022).
**Source : TrendForce « Le marché des grands écrans micro-LED devrait atteindre 2,7 milliards de dollars américains d'ici 2026, déclare TrendForce (août 2022).