Micro-LED's met ultrahoge helderheid en uniforme GaN-op-silicium-epilagen op waferschaal

Met de versnelling van innovatie in displaytechnologie en de opkomst van microdisplaytoepassingen zoals virtual reality (VR) en augmented reality (AR), zijn miniaturisatie en sterk geïntegreerde ontwikkeling nieuwe trends geworden in displaytechnologie. Tegen deze achtergrond ontstond de Micro-LED-displaytechnologie, die de tekortkomingen van traditionele microdisplaytechnologieën opvulde in belangrijke indicatoren zoals resolutie en helderheid en werd erkend als een belangrijke ontwikkelingsrichting voor de volgende generatie microdisplaytechnologie.
Als de belangrijkste directe bandgap-halfgeleider heeft galliumnitride (GaN) uitstekende eigenschappen, zoals een hoge thermische geleidbaarheid, een hoge doorslagveldsterkte en een hoge verzadigde elektronendriftsnelheid, waardoor het het belangrijkste materiaalplatform is voor de ontwikkeling van Micro-LED-microdisplaytechnologie. Momenteel is GaN-gebaseerde Micro-LED-microdisplaytechnologie een hot spot geworden voor academisch onderzoek en industriële ontwikkeling wereldwijd, maar vanwege de beperking van de materiaalkwaliteit en de scherpe daling van de prestaties als gevolg van schade aan de zijwand tijdens chipminiaturisatie, voldoen de bestaande Micro-LED-microdisplays niet aan de werkelijke toepassingsvereisten in termen van helderheid en uniformiteit. Tegelijkertijd vereist de geschaalde toepassing van Micro-LED-microdisplays een strikte controle van de procesopbrengst, de betrouwbaarheid van het apparaat en de productiekosten, waardoor de productietechnologie voor GaN-wafers van groot siliciumsubstraat de beste industrialisatieroute is voor Micro-LED. Het GaN-gebaseerde Micro-LED-waferproductieproces is erg moeilijk en kent een reeks technische en procesmatige uitdagingen, met tot nu toe weinig succesvolle gevallen gemeld.
Om deze problemen op te lossen, hebben professor Pan Anlian en professor Li Dong van de Universiteit van Hunan, samen met medewerkers van Nosilicon Technology en Jineng Photonics, met succes een technologie ontwikkeld voor de productie van micro-LED-wafers op IC-niveau, op GaN gebaseerd, inclusief een groot, hoogwaardig siliciumgebaseerd micro-LED-epitaxiaal filmvoorbereidingsproces, non-alignment bonding-integratietechnologie en atomaire-niveau zijwandpassiveringstechnologie. Hiermee werd de hoogste openbaar gerapporteerde helderheid van groene micro-LED-microdisplaymodules op een siliciumsubstraat GaN-epitaxiale film bereikt.

Vanwege de hoge pixeldichtheid en helderheid worden op galliumnitride (GaN) gebaseerde micro-lichtgevende diodes (Micro-LED's) beschouwd als revolutionaire displaytechnologie en hebben ze belangrijke toepassingsmogelijkheden op het gebied van microdisplays en virtuele displays. Micro-LED's met pixelgroottes kleiner dan 10 μm ondervinden echter nog steeds technische uitdagingen zoals schade aan de zijwand en beperkte lichtextractie-efficiëntie, wat resulteert in verminderde lichtopbrengst en ernstige helderheidsongelijkheid. Hier rapporteerden we groene Micro-displays met hoge helderheid met een pixel van 5 μm die gebruikmaken van hoogwaardige GaN-op-Si-epilagen. Uniforme groene GaN-epilaag op waferschaal van vier inch wordt eerst gekweekt op siliciumsubstraat, dat een lage dislocatiedichtheid van 5,25 × 108 cm−2, kleine waferbuiging van 16,7 μm en hoge golflengte-uniformiteit (standaarddeviatie STDEV

Hoogwaardige 4-inch groene GaN-on-Si epilagen

De groene Micro-LED-wafer in dit werk is gegroeid op een Si (111) substraat door middel van metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) en een typisch optisch beeld is afgebeeld in Fig.1aDe epitaxiestructuur in de verticale richting wordt schematisch geïllustreerd in het rechterpaneel van Fig.1a. Het groeiproces wordt doorgaans geïnitieerd door een 200 nm dikke AlN-nucleatielaag, gevolgd door 1,5 μm dikke AlGaN-GaN-spanningscontrole- en dislocatie-annihilatiestapels. Hierbij moet worden opgemerkt dat de groei van hoogwaardig AlN van cruciaal belang is voor het bereiken van hoogwaardige GaN-op-Si-epilagen. Het is bekend dat GaN-epilagen die op siliciumsubstraten groeien, gevoelig zijn voor scheuren vanwege het grote verschil in hun thermische uitzettingscoëfficiënten. AlN-nucleatielaagbuffers worden vaak gebruikt om GaN-op-Si-epischeuren te onderdrukken. Het bereiken van hoge kwaliteit vereist echter doorgaans groeitemperaturen van meer dan 1400 °C vanwege de sterke Al-N-bindingen. Dit vormt een uitdaging omdat het smeltpunt van silicium slechts 1414 °C is, waardoor zulke hoge temperaturen onpraktisch zijn op siliciumsubstraten. Om dit probleem aan te pakken, werd in ons werk gallium (Ga) gebruikt als oppervlakteactieve stof tijdens de AlN-groei. Deze aanpak bevorderde de migratie van aluminium (Al) adatomen bij een gematigdere groeitemperatuur van 1100 °C door het groeioppervlak te passiveren, waardoor de daaropvolgende groei van hoogwaardige epilagen werd verzekerd. Na de bufferlaag (AlN-nucleatielaag en AlGaN-GaN-spanningscontrole- en dislocatie-annihilatiestapels) wordt een 2 μm dikke n-type GaN gekweekt, gevolgd door 30 perioden van InGaN/GaN-superroosters en 4×InGaN pre-kwantumputten (pre-QW's, met In-gehalte van 10%) om de drukspanning effectief te ontspannen vóór de groei van 8 perioden van groene InGaN/GaN (2,5 nm/12 nm, met In-gehalte van 25%) meervoudige kwantumputten (MQW's). P-type AlGaN/GaN superroosters werden verder gekweekt en gebruikt als elektronenblokkerende laag (EBL), gevolgd door p-type GaN en een sterk magnesiumgedoteerde contactlaag om een ​​lage en uniforme contactweerstand te bereiken. Hoge-resolutie röntgendiffractie wordt gebruikt om de kristalkwaliteit van de epilaag op Si-substraat te karakteriseren. Zoals getoond in Fig.1b, de volledige breedte op halve maximum (FWHM) waarden van de (002)/(102) reflectie-schommelcurven waren respectievelijk 277 boogseconden en 264 boogseconden, overeenkomend met een totale dislocatiedichtheid van ~5,25 × 108 cm−2 (Aanvullende tabelS1). De mapping van de waferbuigingsconditie wordt weergegeven in Fig.1c. Dankzij de nauwkeurig ontworpen spanningsregelstapels vertoont de wafer een convexe buiging van 16,7 μm bij kamertemperatuur. De kleine waferboog maakte het zeer compatibel met daaropvolgende standaard wafer-schaal fabricageprocessen zoals wafer bonding en fotolithografie. Een wafer mapping van de dominante golflengte op de epilaag wordt gepresenteerd in Fig.1d, wat een gemiddelde dominante golflengte van 531,98 nm met een standaarddeviatie van 0,939 nm onthulde. Opvallend is dat de golflengtevariatie over de wafer 6 nm was en werd gereduceerd tot slechts 1,7 nm op de 0,39-inch schaal (fig.S1).

ATypische foto van een 4-inch Si-gebaseerde epitaxiale wafer, waarbij de epitaxiale structuur aan de rechterkant is weergegeven.BRöntgendiffractiepatroon met hoge resolutie van een epilaag gegroeid op een Si (111) substraat, waarbij FWHM-waarden van de schommelcurven die overeenkomen met (002) en (102) zijn gemeten en respectievelijk 277 boogseconden en 264 boogseconden bedragen.CHet in kaart brengen van de kromming van de wafer, wat duidt op een convexe kromming van 16,7 μm.DWafermapping van de dominante golflengte op de epilaag.EnEBSD IPF-mapping en EBSP van de epilaag over een gebied van 1 × 1 mm.FHoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscoop (HRTEM)-afbeelding en elementverdeling van de GaN/InGaN MQW

Om de monokristallijne kwaliteit van de GaN-films te bepalen, wordt elektronen-terugverstrooide diffractie (EBSD) uitgevoerd op een grote lengteschaal. De inverse poolfiguur (IPF)-kaart langs de normale richting, geassocieerd met de [0001] kristaloriëntatie, vertoont een consistent uniforme rode kleur, wat duidt op een identieke out-plane oriëntatie, zonder waarneembare grenzen of rotaties van domeinen (fig.1e). Bovendien onthult onderzoek van elektronenterugverstrooiingspatronen (EBSP's) verzameld op zes verschillende posities over een gebied van 1 × 1 mm slechts één set Kikuchi-patronen (rechterpaneel in Fig.1e). Dit ondubbelzinnige bewijs stelt een unieke kristaloriëntatie vast in de gehele GaN-films, wat hun consistente enkelkristallijne aard bevestigt over een bereik van millimeters. Deze verzekering van uniformiteit is cruciaal om de precisie te garanderen die nodig is voor het ontwerpen van Micro-LED's. We hebben ook de distributie van indium in de kwantumputten en de interfacekwaliteit onderzocht. Zoals weergegeven in Fig.1f, zagen we een duidelijk, scherp contrast aan de InGaN/GaN-interface en een goed gedefinieerde periodieke distributie van indium, wat ondubbelzinnig de hoge kwaliteit van de epilaagmaterialen bevestigt34,35. Dit kan worden toegeschreven aan de opname van pre-QW's met een laag indiumgehalte, wat een cruciale rol speelt bij het verbeteren van de kwaliteit en uniformiteit van MQW's met hogere indiumconcentraties, met name voor groene lichtemissie. Fluorescentiemicroscoopbeeld, Atomic Force Microscope-beeld en HRXRD ω-2θ-scanresultaten bevestigen allemaal de hoge kristallijne kwaliteit van de epilaag (fig.S2A-C). Een uitgebreide analyse van materiaalparameters, waarbij onze epilaag wordt vergeleken met gerapporteerde GaN-epilagen, wordt systematisch gepresenteerd in de aanvullende tabelS1EnS2De gegevens benadrukken superieure prestaties op het gebied van dislocatiedichtheid en waferbuiging in ons werk vergeleken met eerder gerapporteerde resultaten36,37.

Toen dergelijke GaN-op-Si epi-wafers werden verwerkt tot verticale LED-vermogenschips van 26 × 26 mil2 (660 × 660 μm2), leverden ze een mediane externe kwantumefficiëntie van 45% bij een stroomdichtheid van 30 A/cm2 (fig.S2d), vergelijkbaar met dezelfde grootte commerciële verticale groene LED-chips die zijn gekweekt op gepatroneerde saffiersubstraten38. De groene GaN-epilagen die op siliciumsubstraten zijn gegroeid, met een goede golflengte-uniformiteit, kleine wafer-buiging en behoorlijke dislocatiedichtheid, boden uitzonderlijke geschiktheid voor geavanceerde kleine Micro-LED-fabricage. Bovendien is deze aanpak ook toepasbaar op de groei van 6-inch GaN-on-Si-epilagen met lage wafer-buiging (Fig.S3).

Micro-LED-chips met hoge helderheid

Figuur2apresenteert het fabricageproces van de CMOS-geïntegreerde Micro-LED-chips, dat negen hoofdstappen omvat. Kort gezegd begint het proces met de voorbereiding van een geprefabriceerde Si-gebaseerde epitaxiale wafer. Hierna wordt een 110 nm-laag van ITO afgezet, gevolgd door de opeenvolgende afzetting van 700 nm dikke Cr/Pt/Au-metaalstapels. De wafer wordt vervolgens aan een CMOS-chip gehecht zonder dat er een fotolithografisch uitlijningsproces nodig is, namelijk een niet-uitlijning-bindingsproces. Deze aanpak overwint de beperkingen van de uitlijningsnauwkeurigheid die doorgaans worden geassocieerd met thermocompressie-bindingsapparatuur, waardoor de fabricage van Micro-LED-chips met een hogere resolutie mogelijk wordt14,15. Na het binden wordt het Si-substraat verwijderd met een alkalische gemengde oplossing. De pixelvorming van het apparaat (pixelgrootte en -pitch: 5 μm en 7,5 μm) wordt vervolgens bereikt door middel van etsproces in drie stappen. Dit omvat een plasma-etsproces in twee stappen, waarbij Cl2 en BCl3 worden gebruikt om de gehele bufferlaag te verwijderen, gevolgd door het etsen van de resterende GaN-gebaseerde lagen om het te binden metaal bloot te leggen met een 300 nm SiO2 hard masker dat is afgezet door plasma chemische dampdepositie. Tot slot wordt een ionenbundel-etssysteem gebruikt om de metaalstapel te verwijderen met argon. Om de pixels te optimaliseren en defecten te repareren, wordt een KOH-behandeling toegepast vanwege de anisotrope effecten op de zijwanden en het lichtgevende aanrechtblad van de pixelmesas39. Deze behandeling verwijdert niet alleen restmaterialen van de zijwanden, maar maakt ook de GaN-korrels op het mesa-oppervlak ruwer, waardoor fotonen uit de chip kunnen ontsnappen. Vervolgens wordt een 50 nm Al2O3-passiveringslaag aangebracht om het oppervlak te bedekken, wat de reparatie van defecten verder verbetert. Na het openen van het venster om de n-GaN-laag bloot te leggen, worden kathode-elektroden gemaakt met behulp van lithografie en metaalverdampingstechnieken om de fabricage van het apparaat te voltooien en onderlinge verbindingen tot stand te brengen. Meer details vindt u in het gedeelte 'Materialen en methoden'. Het zijwandbehandelingsproces, dat cruciaal is voor het verbeteren van de prestaties van het apparaat, wordt later in detail besproken. Als gevolg hiervan kunnen deze micro-LED's eenvoudig op grote schaal worden geproduceerd en geïntegreerd, indien nodig. Afbeelding2btoont een schematisch diagram van een driedimensionale (3D) geïntegreerde micro-LED-chipmatrixstructuur, waarbij de bovenste Micro-LED-chips worden aangestuurd via onderste Si CMOS-circuits. Afbeelding2ctoont de lay-out van het Micro-LED-scherm, met Micro-LED-arrays (1080 × 780), pixelcircuitarrays en perifere circuits. Afbeelding2dtoont een 4-inch wafer die meerdere Micro-LED-chips integreert met een displaygrootte van 0,39 inch, waarbij elke chip onafhankelijk kan worden verlicht (bovenste paneel: wafer na mesa-vorming; onderste paneel: werkelijke afbeelding van de chip die wordt verlicht). Afbeelding2etoont de doorsnede van een pixel van de Micro-LED-chips, waarbij de Micro-LED stevig en zonder scheuren aan de CMOS-driver is bevestigd, wat de helderheidsuniformiteit en betrouwbaarheid effectief zou verhogen in vergelijking met wat wordt bereikt met de flip-chip-bindingsmethode14,40. De afbeelding die is afgebeeld met een scanning elektronenmicroscoop (SEM).2fgeeft de echte driedimensionale structuur van de Micro-LED-chips aan. Pixels zijn van elkaar geïsoleerd om lichtemissie aan de zijkant te onderdrukken en de lichtemissiehoek te minimaliseren, waardoor lichtgevende overspraak effectief wordt voorkomen door de Finite Difference Time Domain (FDTD)-simulatie (Fig.S4).

Vijg

AFabricageproces van de Micro-LED, met inbegrip van waferbonding, mesavorming en het fabricageproces van het apparaat.BSchematisch diagram van 3D geïntegreerde Micro-LED-chipmatrixstructuur.CLay-out van het Micro-LED-scherm.DFoto van een 4-inch wafer met meerdere 0,39-inch groene Micro-LED-schermen.EnDoorsnede van een pixel van de Micro-LED-chips. f Echte driedimensionale structuur van de Micro-LED-chips

De SEM-beelden van zijwand- en oppervlaktebehandelingsprocessen zijn uitgewerkt in Fig.3aZoals geïllustreerd in Fig.3a(links), de mesa's hebben deeltjes en defecten aan de zijwand na het etsproces met Inductively Coupled Plasma (ICP) uitgerust met Cl-gebaseerd gas, wat kan worden toegeschreven aan de volgende factoren. Enerzijds gebruikt ICP-etsen doorgaans chemische dampsoorten en plasma om materiaal te verwijderen, wat kan leiden tot chemische reacties en de vorming van bijproducten41. Deze bijproducten kunnen in de vorm van deeltjes op het oppervlak van de wafer en de zijwand van de mesa's achterblijven. Aan de andere kant kan ICP-etsen materiaal niet gelijkmatig verwijderen, wat resulteert in oneffenheden op de mesa-zijwanden, wat defecten in het productieproces kan introduceren en ongewenste niet-stralende recombinatiecentra kan creëren. Om deze uitdaging aan te pakken, wordt eerst KOH-behandeling gebruikt om de niet-polaire zijwanden van de mesa's te behandelen. Dit proces elimineert effectief restmaterialen, inclusief bijproducten, deeltjes en onzuiverheden die tijdens het etsproces worden gegenereerd. Als resultaat worden gladdere en schonere zijwanden bereikt, wat de stralingsrecombinatie-efficiëntie van ladingdragers aanzienlijk verbetert. Tegelijkertijd onderging het N-polaire GaN Micro-LED-bovenoppervlak, dat gevoelig is voor KOH-etsen, gemakkelijk oppervlakteruwheid, zoals geïllustreerd in het midden van Afb.3aHet bovenste GaN-oppervlak werd gekenmerkt door gelijkmatig verdeelde korrels met een grootte van ~50 nm (fig.S5). Het is de moeite waard om op te merken dat het opruwingsproces zeer goed controleerbaar is, waarbij de korrelgroottes kunnen worden geoptimaliseerd tot elke gewenste waarde (10–200 nm) door de duur en temperatuur aan te passen (fig.S6). Figuur3b,Cpresenteert de 3D-morfologiebeelden van de mesa zowel voor als na KOH-behandeling, waarbij de root mean square (RMS) ruwheid is gemeten op 0,51 nm en 6,24 nm voor de respectievelijke fasen, wat de effectiviteit van KOH-behandeling op de oppervlaktemorfologie bevestigt. Dit correct opgeruwde oppervlak vergemakkelijkte de lichtextractie van de Micro-LED-pixels en speelde een zeer belangrijke rol bij het verhogen van de algehele externe kwantumefficiëntie van ons Micro-LED-scherm, wat wordt gevalideerd door FDTD-simulaties. AfbeeldingS5bevestigt dat deze kleine GaN-geruwde korrels de lichtextractie-efficiëntie effectief kunnen verbeteren. Met name de ruwe korrelgroottes in dit werk zijn kleiner dan in het vorige rapport42, wat duidt op een betere compatibiliteit met het micron-schaal Micro-LED-bovenoppervlak. De bijbehorende PL-resultaten worden weergegeven in Fig.3e, waarbij de piekemissie-intensiteit een drievoudige verbetering vertoont na KOH-behandeling, wat opnieuw de efficiëntie van deze oppervlakteruwingstechniek bewijst.

ASEM-afbeelding van de mesa's (links) zonder enige behandeling, (midden) na KOH-behandeling en (rechts) na passivering van het defect.B,CAFM-beelden van de mesa zonder enige behandeling (B) en KOH-behandeling (C).DDwarsdoorsnede HRTEM- en EDS-beelden van de zijwand na Al2O3-afzetting.En,f PL-resultaten (En) en PL-vervalsporen (F) die overeenkomt met elke stap die wordt weergegeven in (A)

Het proces van atomaire laagafzetting (ALD) wordt vervolgens gebruikt om de zijwand te passiveren en de defecten te repareren. De ALD bezat een uitzonderlijk nauwkeurige controle over de materiaalafzetting met een nauwkeurigheid tot op één moleculaire laag. In dit werk werd aluminiumoxide geselecteerd als het passiveringsmateriaal voor het repareren van defecten met atomaire precisie, waardoor kleine oppervlakte-imperfecties zoals scheuren, holtes of oneffen gebieden effectief werden opgevuld. Afbeelding3dtoont de HRTEM- en EDS-mappingbeelden van de interface tussen MQW's en Al2O3, waarbij een goed bedekte zijwand van de MQW's met Al2O3 wordt getoond. De PL-emissie van de Al2O3-gepassiveerde mesa's is ongeveer 5 keer hoger dan die zonder enige behandeling (fig.3e), wat een uitstekend herstellend effect laat zien. De fotoluminescentie (PL) vervalsporen die overeenkomen met elke fase worden geïllustreerd in Fig.3f. De bevindingen laten een opmerkelijke verbetering zien in de gemiddelde levensduur van de recombinatie van dragers: van 7,58 ns tot 10,69 ns na KOH-behandeling, en uiteindelijk 15,94 ns na passivering van mesa's met Al2O3. Dit suggereert dat de atomaire zijwandpassiveringsmethode effectief de waarschijnlijkheid van niet-stralingsrecombinatie onderdrukt door defecttoestanden op het zijwandoppervlak in Micro-LED's te verminderen.43.

Figuur4atoont een echte luminescentiefoto van een 30 × 30 Micro-LED-array, die een uniform groen licht kan uitstralen. De IV-curve over de Micro-LED-array wordt weergegeven in Fig.4b. Het vertoont een typisch diode-gelijkrichtgedrag met een gelijkrichtverhouding van meer dan 108, wat hoger is dan de meeste gerapporteerde apparaten44. We hebben de IV-curve ook aangepast met de Shockley-vergelijking en een ideale factor van 2,15 bereikt, wat aangeeft dat het transport wordt gedomineerd door de recombinatie van de elektronen en gaten bij de MQW's in plaats van het diffusieproces. De turn-on-spanning wordt afgeleid van 2,1 V uit de lineaire grafiek van IV-uitharding, wat veel kleiner is dan de gerapporteerde resultaten die doorgaans binnen het bereik van 2,5 tot 2,8 volt vallen.45,46.De serieweerstand blijkt 135 Ω te zijn, wat duidt op een goed contact van de elektroden op zowel p-GaN als n-GaN, en een aanzienlijk lagere joule-warmteontwikkeling van de Micro-LED's.

AEen echt Micro-LED-beeldscherm, verkregen met behulp van een meetstation.BIV-karakteristieken in lineaire en logaritmische schaal.CEL-spectra gemeten bij verschillende stromen.DDe geëxtraheerde piekgolflengte enEnhelderheidsprestaties met verschillende stromen.FVergelijking van de belangrijkste parameters van micro-LED's in dit werk met enkele typische gerapporteerde resultaten

Figuur4c,Dtoont de elektroluminescentie (EL) intensiteitsprofielen en de piekgolflengte van de Micro-LED verkregen bij verschillende injectiestroom. Het geeft een blauwe verschuiving aan van 530 tot 505 nm terwijl de stroom toeneemt van 0,3 tot 900 mA. Dit kan redelijkerwijs worden toegeschreven aan de piëzo-elektrische polarisatie die is gedegradeerd in de MQW's en de stralingsrecombinatie van dragers bij een hogere energiestatus als gevolg van een hoge injectiestroom25. 0,39-inch (1080 × 780) groene Micro-LED-schermen worden ook gemeten. De bijbehorende helderheidsinformatie is weergegeven in Fig.4e, voor de 30 × 30 Micro-LED-array neemt de helderheid toe met de injectiestroom en bereikt een maximum van 1,2 × 107 cd/m2 (nits) bij 1000 A/cm2. Voor 0,39-inch Micro-LED-schermen vertoont de helderheid ook een vergelijkbare stijgende trend tot 186017 Cd/m2 bij 5 A/cm2. AfbeeldingS7toont de EQE als een functie van de totale injectiestroom, waarbij een piek-EQE-waarde van 7,17% wordt aangetoond bij een stroomdichtheid van 2 A/cm2. Afbeelding4ftoont de vergelijking van de helderheidsparameter van onze Micro-LED met enkele typische gerapporteerde resultaten, waarbij ons resultaat een van de hoogste waarden vertegenwoordigt onder de gerapporteerde resultaten25,26,27,45,47,48,49,50, specifieke details staan ​​in de aanvullende tabelS3.

Actieve matrix Micro-display

Figuur5aillustreert de helderheidsmapping van een enkel microdisplay verkregen uit zesennegentig verschillende punten over 8 × 6 mm-gebieden bij een aandrijfstroom van 1,5 A/cm². Indrukwekkend genoeg zijn de standaarddeviaties (STDEV) uitzonderlijk klein, met een meting van minder dan 720 Cd/m² (2,2%), met een gemiddelde helderheid van 32.987 Cd/m². De helderheidsuniformiteit bij hogere stroomdichtheden wordt verder getest en afgebeeld in Fig.S8. Deze resultaten tonen aan dat de uniformiteit niet verslechtert bij hogere stroomdichtheden. Wanneer demura-technologie wordt toegepast, kan de uniformiteit voor micro-displayschermen verder worden verbeterd (fig.S9). Figuur5btoont de helderheid van 30 verschillende micro-displays op dezelfde wafer bij dezelfde aandrijfstroom, waarbij STDEV- en gemiddelde helderheidswaarden van respectievelijk 1365 Cd/m² (4,2%) en 32.129 Cd/m² worden onthuld. Deze uitzonderlijke helderheidsuniformiteit kan worden toegeschreven aan de uniforme GaN-op-silicium-epilagen en geavanceerde fabricagetechnologie. Afbeelding5ctoont een verpakte Micro-LED-displaychip, met het logo van de Universiteit van Hunan. Het display heeft 829.400 (1080 × 780) pixels met een pitchgrootte van 7,5 μm, wat overeenkomt met 3400 pixels per inch (PPI). Elke pixel bestond uit een 5-μm Micro-LED en een op Si gebaseerde CMOS-driver. Alle pixels deelden een gemeenschappelijke kathodepad met een onafhankelijk adresseerbare scanlijn en datalijn. Wanneer een specifieke pixel een spanning ontvangtVscannen op de scanlijn enVgegevens op de datalijn, de pixel wordt verlicht. Het beeld wordt in een statische weergavemodus gehouden door het opladen en ontladen van condensatoren met een verversingssnelheid van 60 Hz. Bovendien beschikt het display over een 8-bits grijstintenweergavemogelijkheid, waardoor contrastregeling mogelijk is bij het weergeven van afbeeldingen en films. Afbeelding5dtoont de vergrote, echte afbeelding van de tijger die op het beeldscherm wordt weergegeven. In Fig. 1 zijn meer afbeeldingen te zien.S10, waar elk detail duidelijk kan worden opgelost. Het toont een helder beeldvermogen en bereikt met succes high-definition weergave van afbeeldingen en films (Aanvullende video1).

ADe helderheidsmapping van een enkel microdisplay, geeft een hoge uniformiteit aan met STDEV BDe statistische verdeling van de helderheid van 30 microdisplays op dezelfde epitaxiale wafer.CEen echte afbeelding van een verpakte Micro-LED-displaychip.DEchte weergavebeelden van tijgers weergegeven op het beeldscherm

Discussie

Concluderend presenteren we een uniforme 4-inch groene GaN-on-silicon epilaagwafer op waferschaal, gekenmerkt door een lage dislocatiedichtheid, uitstekende golflengte-uniformiteit en minimale waferbuiging. De atomaire sidewall-passiveringsaanpak is ontwikkeld om het probleem van sidewall-defecten in kleine Micro-LED's aan te pakken, wat effectief de dragerrecombinatie op defectlocaties vermindert. Dit passiveringsproces, samen met de goed gecontroleerde oppervlakteruwheid, verbeterde de optische en elektrische prestaties van de groene Micro-LED's aanzienlijk. De hoge resolutie, zeer heldere GaN-on-Si Micro-LED-array met pixelgroottes zo klein als 5 μm vertoont een helderheid van meer dan 107 cd/m2 (nits). Bovendien wordt de verticale non-alignment bonding-techniek gebruikt om het Micro-LED-scherm naadloos te integreren met een Si-gebaseerde CMOS-driver. Deze integratie bereikt niet alleen een opmerkelijke helderheidsuniformiteit, maar ook een weergave van beelden met een hoge resolutie. Dit werk benadrukt het potentieel van Micro-LED-schermen en stimuleert hun wijdverbreide toepassing in real-world scenario's.

Materialen en methoden

Groei van GaN-op-Si-epilagen

Een groene epitaxiale wafer op basis van Si wordt gekweekt door MOCVD; stikstof (N2) en waterstof (H2) met een hoge zuiverheidsgraad worden gebruikt als draaggassen; trimethylgallium (TMGa) en trimethylindium (TMIn), trimethylaluminium (TMAl) en ammoniak (NH3) worden gebruikt als Ga-, In-, Al- en N-precursoren; SiH4 en Cp2Mg worden gebruikt als doteringsbron van n-type en p-type GaN.

Fabricage van micro-LED-chips

Na epitaxiale groei wordt de wafer gecoat met ITO (110 nm) op p++ GaN door sputteren en gegloeid bij 500 °C gedurende 5 min door RTA, en vervolgens wordt een 700 nm dikke Cr/Pt/Au metaalstapellaag afgezet door E-beam-verdamping, die wordt voorbereid en gebonden aan een ondersteunend CMOS-substraat. Het epitaxiale Si (111) substraat wordt vervolgens verwijderd met behulp van een alkalische gemengde oplossing (NaOH, isopropylalcohol en H2O) bij 85 °C gedurende 30 min. De bufferlaag met hoge weerstand wordt verwijderd met ICP (Plasmalab 133 ICP 380, Oxford). GaN mesa wordt bereikt door fotolithografie met een stepperlithografiemachine (NSR-2205i11, Nikon) en etprocessen met behulp van BCl3/Cl2-gas met ICP. KOH met een massafractie van 18% behandeling wordt verder geleid naar de GaN mesa bij 40 °C; 50 nm Al2O3 werd verder afgezet met behulp van ALD (TFS 200, Beneq). Ten slotte wordt, na het openen van het venster aan de bovenkant van de mesa, een stroomspreidingslaag (110 nm ITO) afgezet op de n-GaN-laag door sputteren en gedurende 3 min gegloeid bij 300 °C, en vervolgens wordt een 1,5-μm dikke Cr/Al/Ti/Pt/Au-metaalstapellaag afgezet als gemeenschappelijke kathode-elektrode door middel van E-beam-verdamping.

Karakterisering van monsters

De optische beelden van de Micro-LED werden gekarakteriseerd door een microscoop (Zeiss Axio Scope A1) en een camera van mate 60. De SEM-beelden werden gekarakteriseerd door de veldemissie-SEM (Nova NanoSEM 230, FEI). De TEM- en HRTEM-beelden werden verkregen met een transmissie-elektronenmicroscoop (FEI Themis Z (3.2)). PL-spectra werden gemeten op confocale microscoopsystemen (WITec, Alpha 300R) uitgerust met een excitatie van 488 nm laser.

De elektrische prestaties van de as-fabricated apparaten werden uitgevoerd met behulp van een zelfgebouwd probe station met de spectroradiometer cs-2000a gekoppeld aan een zeer nauwkeurige luminantiemeter en spectrometer en een Keithley 2450 als stroombron. De fotonen werden verzameld door de spectroradiometer cs-2000a toen Micro-LED's werden voorzien van een constante stroom om de bijbehorende helderheidswaarde te berekenen. Om Micro-LED helderheidswaarden gemakkelijker te detecteren en evalueren, namen we het luminantiemeter probe gebied als het werkelijke gebied waar fotonen worden verzameld. Dit betekent dat niet-verlichte gebieden tussen pixels niet zijn verwijderd.