Ultra-hoë helderheid Mikro-LED's met wafer-skaal uniforme GaN-op-silikon epilae

Met die versnelling van vertoningstegnologie-innovasie en die opkoms van mikrovertoningstoepassings soos virtuele realiteit (VR) en toegevoegde realiteit (AR), het miniaturisering en hoogs geïntegreerde ontwikkeling nuwe tendense in vertoningstegnologie geword. Teen hierdie agtergrond het Mikro-LED-vertoningstegnologie ontstaan, wat die tekortkominge van tradisionele mikrovertoningstegnologieë in sleutelaanwysers soos resolusie en helderheid aanvul en erken word as 'n belangrike ontwikkelingsrigting vir die volgende generasie mikrovertoningstegnologie.
As die belangrikste direkte bandgaping-halfgeleier, het galliumnitried (GaN) uitstekende eienskappe soos hoë termiese geleidingsvermoë, hoë deurslagveldsterkte en hoë versadigde elektrondryfsnelheid, wat dit die sleutelmateriaalplatform maak vir die ontwikkeling van Mikro-LED-mikroskermtegnologie. Tans het GaN-gebaseerde Mikro-LED-mikroskermtegnologie 'n gewilde plek geword vir akademiese navorsing en industriële ontwikkeling wêreldwyd, maar as gevolg van die beperking van materiaalkristalkwaliteit en die skerp afname in werkverrigting wat veroorsaak word deur sywandskade tydens skyfie-miniaturisering, voldoen die bestaande Mikro-LED-mikroskerms nie aan die werklike toepassingsvereistes in terme van helderheid en eenvormigheid nie. Terselfdertyd vereis die afgeskaalde toepassing van Mikro-LED-mikroskerm streng beheer oor prosesopbrengs, toestelbetroubaarheid en produksiekoste, wat grootskaalse silikonsubstraat GaN-wafelvervaardigingstegnologie die beste industrialiseringsroete vir Mikro-LED maak. Die GaN-gebaseerde Mikro-LED-wafelvervaardigingsproses is baie moeilik en staar 'n reeks tegniese en prosesuitdagings in die gesig, met min suksesvolle gevalle wat tot dusver aangemeld is.
Om hierdie probleme op te los, het professor Pan Anlian en professor Li Dong van die Hunan Universiteit, saam met medewerkers van Nosilicon Technology en Jineng Photonics, suksesvol 'n IC-vlak GaN-gebaseerde Mikro-LED-wafelvervaardigingstegnologie ontwikkel, insluitend 'n grootskaalse hoë-gehalte silikon-gebaseerde Mikro-LED epitaksiale filmvoorbereidingsproses, nie-belyningbindingsintegrasietegnologie, en atoomvlak-sywandpassiveringstegnologie, wat die hoogste publiek gerapporteerde groenlig Mikro-LED-mikroskermmodulehelderheid op 'n silikonsubstraat GaN epitaksiale film bereik het.

As gevolg van hoë pixeldigtheid en helderheid word galliumnitried (GaN)-gebaseerde mikro-lig-emitterende diodes (Mikro-LED's) as revolusionêre vertoontegnologie beskou en het belangrike toepassingsvooruitsigte op die gebied van mikro-vertoning en virtuele vertoon. Mikro-LED's met pixelgroottes kleiner as 10 μm ondervind egter steeds tegniese uitdagings soos sywandskade en beperkte lig-onttrekkingsdoeltreffendheid, wat lei tot verminderde ligdoeltreffendheid en ernstige helderheids-nie-uniformiteit. Hier het ons hoë-helderheid groen mikro-vertonings met 'n 5 μm pixel gerapporteer wat hoë-gehalte GaN-op-Si epilae gebruik. 'n Vier-duim wafer-skaal uniforme groen GaN epilaag word eers gekweek op silikon substraat, wat 'n lae ontwrigtingsdigtheid van 5.25 × 108 cm−2, klein waferbuiging van 16.7 μm, en hoë golflengte-uniformiteit (standaardafwyking STDEV

Hoë-gehalte 4-duim groen GaN-op-Si epilae

Die groen Mikro-LED-wafel in hierdie werk word op Si (111) substraat gekweek deur metaal-organiese chemiese dampafsetting (MOCVD) en 'n tipiese optiese beeld word in Fig. 1a Die epitaktiese struktuur in die vertikale rigting word skematies geïllustreer in die regterpaneel van Fig. 1aDie groeiproses word tipies geïnisieer deur 'n 200 nm dik AlN-nukleasielaag, gevolg deur 1.5 μm dik AlGaN-GaN-spanningsbeheer- en ontwrigting-annihilasiestapels. Daar moet hier op gelet word dat die groei van hoëgehalte AlN krities is vir die bereiking van hoëgehalte GaN-op-Si-epilae. Dit is welbekend dat GaN-epilae wat op silikonsubstrate gekweek word, geneig is tot krake as gevolg van die groot verskil in hul termiese uitbreidingskoëffisiënte. AlN-nukleasielaagbuffers word algemeen gebruik om GaN-op-Si-epikrake te onderdruk. Om hoë gehalte te bereik, vereis dit egter tipies groeitemperature van meer as 1400 °C as gevolg van die sterk Al-N-bindings. Dit hou 'n uitdaging in, aangesien die smeltpunt van silikon slegs 1414 °C is, wat sulke hoë temperature onprakties op silikonsubstrate maak. Om hierdie probleem aan te spreek, is gallium (Ga) in ons werk as oppervlakaktiewe middel tydens AlN-groei gebruik. Hierdie benadering het die migrasie van aluminium (Al) adatome by 'n meer matige groeitemperatuur van 1100 °C bevorder deur die groeioppervlak te passiveer, waardeur die daaropvolgende groei van hoëgehalte-epilae verseker word. Na die bufferlaag (AlN-nukleasielaag en AlGaN-GaN-spanningbeheer- en ontwrigting-annihilasiestapels), word 'n 2 μm dik n-tipe GaN gekweek, gevolg deur 30 periodes van InGaN/GaN-superroosters en 4×InGaN pre-kwantum putte (pre-QW's, met 'n In-inhoud van 10%) om die drukspanning effektief te verslap voor die groei van 8 periodes van groen InGaN/GaN (2.5 nm/12 nm, met 'n In-inhoud van 25%) veelvuldige kwantum putte (MQW's). P-tipe AlGaN/GaN-superroosters is verder gekweek en as die elektronblokkerende laag (EBL) gebruik, gevolg deur p-tipe GaN en 'n hoogs magnesium-gedoteerde kontaklaag om 'n lae en eenvormige kontakweerstand te verkry. Hoë-resolusie X-straaldiffraksie word gebruik om die kristalkwaliteit van die epilaag op Si-substraat te karakteriseer. Soos getoon in Fig. 1b, die volle breedte teen half maksimum (FWHM) waardes van die (002)/(102) refleksie-wiegkrommes was onderskeidelik 277 boogsek en 264 boogsek, wat ooreenstem met 'n totale ontwrigtingsdigtheid van ~5.25 × 108 cm−2 (Aanvullende Tabel S1Die kartering van die waferbuigingstoestand word in Fig. aangebied. 1cDanksy die noukeurig ontwerpte spanningsbeheerstapels, vertoon die wafer 'n konvekse buiging van 16.7 μm by kamertemperatuur. Die klein waferbuiging het dit hoogs versoenbaar gemaak met daaropvolgende standaard waferskaal-vervaardigingsprosesse soos waferbinding en fotolitografie. 'n Waferkartering van die dominante golflengte op die epilaag word in Fig. 1d, wat 'n gemiddelde dominante golflengte van 531.98 nm met 'n standaardafwyking van 0.939 nm toon. Dit is opmerklik dat die golflengtevariasie oor die wafer 6 nm was en tot slegs 1.7 nm op die 0.39-duim-skaal verminder is (Fig. S1).

'n Tipiese foto van 'n 4-duim Si-gebaseerde epitaksiale wafer, waar die epitaksiale struktuur aan die regterkant getoon word. b Hoë-resolusie X-straaldiffraksiepatroon van epilaag gekweek op Si (111) substraat, waar FWHM-waardes van wiegkrommes wat ooreenstem met (002) en (102) gemeet word as onderskeidelik 277 boogsekond en 264 boogsekond. c Die kartering van die waferbuigingstoestand, wat 'n konvekse buiging van 16.7 μm aandui. d Waferkartering van die dominante golflengte op die epilaag. en EBSD IPF-kartering en EBSP van die epilaag oor 'n 1 × 1 mm area. f Hoë-resolusie transmissie-elektronmikroskoop (HRTEM) beeld en elementverspreiding van die GaN/InGaN MQW

Om die enkelkristallyne kwaliteit van die GaN-films te bepaal, word elektron-terugverstrooide diffraksie (EBSD) op 'n groot lengteskaal uitgevoer. Die inverse poolfiguur (IPF) kaart langs die normale rigting, geassosieer met die [0001] kristaloriëntasie, vertoon 'n konsekwent uniforme rooi kleur, wat 'n identiese buitevlakoriëntasie aandui, sonder waarneembare grense of rotasies van domeine (Fig. 1eBoonop toon ondersoek van elektron-terugverstrooide patrone (EBSP's) wat op ses verskillende posisies oor 'n 1 × 1 mm-area versamel is, slegs een stel Kikuchi-patrone (regterpaneel in Fig. 1e). Hierdie ondubbelsinnige bewyse vestig 'n enkelvoudige kristal-oriëntasie dwarsdeur die geheel van die GaN-films, wat hul konsekwente enkelkristallyne aard oor 'n millimeter-skaalreeks bevestig. Hierdie versekering van eenvormigheid is deurslaggewend om die presisie te verseker wat benodig word vir die ontwerp van Mikro-LED's. Ons het ook die verspreiding van indium in die kwantumputte en die koppelvlakkwaliteit ondersoek. Soos getoon in Fig. 1f, het ons 'n duidelike, skerp kontras by die InGaN/GaN-koppelvlak en 'n goed gedefinieerde periodieke verspreiding van indium waargeneem, wat onomwonde die hoë gehalte van die epilaagmateriale bevestig.34,35Dit kan toegeskryf word aan die inkorporering van pre-QW's met 'n lae indiuminhoud, wat 'n belangrike rol speel in die verbetering van die kwaliteit en eenvormigheid van MQW's met hoër indiumkonsentrasies, veral vir groen lig-emissie. Fluoresensiemikroskoopbeeld, Atoomkragmikroskoopbeeld en HRXRD ω-2θ skanderingsresultate bevestig almal die hoë kristallyne kwaliteit van die epilaag (Fig. S2'n–c'n Omvattende analise van materiaalparameters, wat ons epilaag met gerapporteerde GaN-epilae vergelyk, word sistematies in die Aanvullende Tabel aangebied. S1 en S2Die data beklemtoon beter prestasies in ontwrigtingsdigtheid en waferbuiging in ons werk in vergelyking met voorheen gerapporteerde resultate.36,37.

Toe sulke GaN-op-Si epi-wafers verwerk is tot 26 × 26 mil² (660 × 660 μm²) vertikale LED-kragskyfies, het hulle 'n mediaan eksterne kwantumdoeltreffendheid van 45% gelewer teen die stroomdigtheid van 30 A/cm² (Fig. S2d), gelykstaande aan dieselfde grootte kommersiële vertikale groen LED-skyfies wat op patroon-saffiersubstrate gekweek word38Die groen GaN-epilae wat op silikonsubstrate gekweek is, met goeie golflengte-uniformiteit, klein waferbuiging en ordentlike ontwrigtingsdigtheid, het uitsonderlike geskiktheid gebied vir gevorderde kleingrootte Mikro-LED-vervaardiging. Boonop is hierdie benadering ook van toepassing op die groei van 6-duim GaN-op-Si-epilae met lae waferbuiging (Fig. S3).

Hoë helderheid Mikro-LED-skyfies

Figuur 2a bied die vervaardigingsproses van die CMOS-geïntegreerde Mikro-LED-skyfies aan, wat nege hoofstappe behels. Kortliks begin die proses met die voorbereiding van 'n voorafvervaardigde Si-gebaseerde epitaksiale wafer. Daarna word 'n 110 nm-laag ITO neergelê, gevolg deur die opeenvolgende neerlegging van 700 nm dik Cr/Pt/Au-metaalstapels. Die wafer word dan aan 'n CMOS-skyfie gebind sonder dat enige fotolitografiese belyningsproses, naamlik die nie-belyningsbindingsproses, vereis word. Hierdie benadering oorkom die belyningsakkuraatheidsbeperkings wat tipies met termokompressiebindingstoerusting geassosieer word, wat die vervaardiging van hoër-resolusie Mikro-LED-skyfies moontlik maak.14,15Na binding word die Si-substraat verwyder met 'n alkaliese gemengde oplossing. Toestelpikselering (pikselgrootte en -afstand: 5 μm en 7.5 μm) word dan bereik deur driestap-etsprosesse. Dit sluit 'n tweestap-plasma-etsproses in, waar Cl2 en BCl3 gebruik word om die hele bufferlaag te verwyder, gevolg deur die etsing van die oorblywende GaN-gebaseerde lae om die bindmetaal bloot te stel met 'n 300 nm SiO2-harde masker wat deur plasma-chemiese dampafsetting neergelê is. Laastens word 'n ioonstraal-etsstelsel gebruik om die metaalstapel met argon te verwyder. Om die piksels te optimaliseer en defekte te herstel, word 'n KOH-behandeling toegepas as gevolg van die anisotropiese effekte daarvan op die sywande en die ligte oppervlak van die pikseltafels.39Hierdie behandeling verwyder nie net oorblywende materiale van die sywande nie, maar maak ook die GaN-korrels op die mesa-oppervlak ru, wat foton-ontsnapping uit die skyfie vergemaklik. Vervolgens word 'n 50 nm Al2O3-passiveringslaag aangebring om die oppervlak te bedek, wat defekherstel verder verbeter. Nadat die venster oopgemaak is om die n-GaN-laag bloot te stel, word katode-elektrodes gevestig met behulp van litografie en metaalverdampingstegnieke om die toestelvervaardiging te finaliseer en interkonneksies te vestig. Meer besonderhede kan gevind word in die afdeling "Materiale en metodes". Die sywandbehandelingsproses, wat deurslaggewend is in die verbetering van toestelprestasies, sal in die latere afdeling in detail bespreek word. Gevolglik kan hierdie Mikro-LED's maklik vervaardig en op groot skaal geïntegreer word soos nodig. Figuur 2b toon 'n skematiese diagram van 'n driedimensionele (3D) geïntegreerde mikro-LED-skyfie-matriksstruktuur, waar die boonste Mikro-LED-skyfies deur die onderste Si CMOS-stroombane aangedryf word. Figuur 2c beeld die uitleg van die Mikro-LED-skerm uit, wat Mikro-LED-skikkings (1080 × 780), pixelstroombaanskikkings en randstroombane insluit. Figuur 2D toon 'n 4-duim-wafer wat verskeie Mikro-LED-skyfies geïntegreer het met 'n skermgrootte van 0.39 duim, waar elke skyfie onafhanklik verlig kan word (boonste paneel: wafer na mesa-vorming; onderste paneel: werklike prentjie van die skyfie wat verlig word). Figuur 2e toon die deursnee-aansig van 'n pixel van die Mikro-LED-skyfies, waar die Mikro-LED styf aan die CMOS-drywer gebind is sonder enige krake, wat die helderheidsuniformiteit en betroubaarheid effektief sal verhoog in vergelyking met wat met die flip-chip-bindingsmetode bereik word.14,40Die skandeerelektronmikroskoop (SEM) beeld wat in Fig. getoon word. 2f dui die werklike driedimensionele struktuur van die Mikro-LED-skyfies aan. Piksels word van mekaar geïsoleer om sywand-liguitstraling te onderdruk en die liguitstralingshoek te minimaliseer, wat effektief ligoorspraak voorkom deur die Eindige Verskil Tyddomein (FDTD) simulasie (Fig. S4).

Fig

'n Vervaardigingsproses van die Mikro-LED, wat waferbinding, mesa-vorming en toestelvervaardigingsproses behels. b Skematiese diagram van 3D-geïntegreerde Mikro-LED-skyfiematriksstruktuur. c Uitleg van die Mikro-LED-skerm. d Foto van 'n 4-duim-wafer wat veelvuldige 0.39-duim groen Mikro-LED-skerms integreer. en Deursnee-aansig van 'n pixel van die Mikro-LED-skyfies. f Werklike driedimensionele struktuur van die Mikro-LED-skyfies

Die SEM-beelde van sywand- en oppervlakbehandelingsprosesse word in Fig. 3aSoos geïllustreer in Fig. 3a (links), die mesas het deeltjies en defekte aan die sywand na die etsproses met Induktief Gekoppelde Plasma (ICP) toegerus met Cl-gebaseerde gas, wat aan die volgende faktore toegeskryf kan word. Aan die een kant gebruik ICP-etsing tipies chemiese dampspesies en plasma om materiaal te verwyder, wat kan lei tot chemiese reaksies en die vorming van neweprodukte.41Hierdie neweprodukte kan op die oppervlak van die wafer en die sywand van die mesas in die vorm van deeltjies agterbly. Aan die ander kant mag ICP-etsing nie materiaal eenvormig verwyder nie, wat lei tot oneweredigheid op die mesa-sywande, wat defekte in die vervaardigingsproses kan veroorsaak en ongewenste nie-stralende rekombinasiesentrums kan skep. Om hierdie uitdaging aan te spreek, word KOH-behandeling eers gebruik om die nie-polêre sywande van die mesas te behandel. Hierdie proses elimineer effektief oorblywende materiale, insluitend neweprodukte, deeltjies en onsuiwerhede wat tydens die etsproses gegenereer word. Gevolglik word gladder en skoner sywande bereik, wat die stralende rekombinasie-doeltreffendheid van ladingdraers aansienlik verbeter. Terselfdertyd het die N-polêre GaN Micro-LED-boonste oppervlak, wat vatbaar is vir KOH-etsing, maklik oppervlakvergroting ondergaan, soos geïllustreer in die middel van Fig. 3aDie boonste GaN-oppervlak is vertoon met eenvormig verspreide korrels met 'n grootte van ~50 nm (Fig. S5Dit is opmerklik dat die ruwmaakproses hoogs beheerbaar is, waar die korrelgroottes tot enige verlangde waardes (10–200 nm) geoptimaliseer kan word deur die duur en temperatuur aan te pas (Fig. S6Figuur 3b, c bied die 3D-morfologiebeelde van die mesa aan, beide voor en na KOH-behandeling, waar die wortelgemiddelde kwadraat (RMS) ruheid gemeet word as 0.51 nm en 6.24 nm vir die onderskeie stadiums, wat die doeltreffendheid van KOH-behandeling op die oppervlakmorfologie bevestig. Hierdie behoorlik ruwe oppervlak het ligonttrekking van die Mikro-LED-pixels vergemaklik en 'n baie belangrike rol gespeel in die bevordering van die algehele eksterne kwantumdoeltreffendheid van ons Mikro-LED-skerm, wat deur FDTD-simulasies gevalideer word. Figuur S5 bevestig dat hierdie klein, gerofde GaN-korrels die lig-ekstraksie-doeltreffendheid effektief kan verbeter. Die gerofde korrelgroottes in hierdie werk is veral kleiner as die vorige verslag.42, wat beter versoenbaarheid met die mikronskaalse Mikro-LED-boonste oppervlak aandui. Die ooreenstemmende PL-resultate word in Fig. uitgebeeld. 3e, waar die piekemissie-intensiteit 'n drievoudige verbetering toon na KOH-behandeling, wat weereens die doeltreffendheid van hierdie oppervlakruftegniek bewys.

'n SEM-beeld van die mesas (links) sonder enige behandeling, (middel) na KOH-behandeling en (regs) na defekpassivering. b, c AFM-beelde van die mesa sonder enige behandeling (b) en KOH-behandeling (c). d Dwarssnit HRTEM- en EDS-beelde van die sywand na Al2O3-afsetting. en, f PL resultate (en) en PL-vervalspore (f) wat ooreenstem met elke stap wat in ( getoon word'n)

Die atoomlaagafsettingsproses (ALD) word dan gebruik om die sywand te passiveer en die defekte te herstel. Die ALD het buitengewoon presiese beheer oor materiaalafsetting gehad met akkuraatheid tot 'n enkele molekulêre laag. In hierdie werk is aluminiumoksied gekies as die passiveringsmateriaal vir defekherstel met atoomvlak-presisie, wat klein oppervlakonvolmaakthede soos krake, leemtes of ongelyke streke effektief vul. 3D vertoon die HRTEM- en EDS-karteringsbeelde van die koppelvlak tussen MQW's en Al2O3, wat 'n goed bedekte sywand van die MQW's met Al2O3 toon. Die PL-emissie van die Al2O3-gepassiveerde mesas is ongeveer 5 keer hoër as dié sonder enige behandeling (Fig. 3e), wat 'n uitstekende hersteleffek demonstreer. Die fotoluminesensie (PL) vervalspore wat ooreenstem met elke stadium word in Fig. geïllustreer. 3fDie bevindinge toon 'n merkbare verbetering in die gemiddelde draer-rekombinasieleeftyd—van 7.58 ns tot 10.69 ns na KOH-behandeling, wat uiteindelik 15.94 ns bereik na die passivering van mesas met Al2O3. Dit dui daarop dat die atoomsywandpassiveringsmetode die waarskynlikheid van nie-stralende rekombinasie effektief onderdruk deur defektoestande op die sywandoppervlak in Mikro-LED's te verminder.43.

Figuur 4a toon 'n werklike luminessensiefoto van 'n 30 × 30 Mikro-LED-skikking, wat 'n eenvormige groen lig kan uitstraal. Die IV-kromme oor die Mikro-LED-skikking word in Fig. aangebied. 4bDit toon 'n tipiese diode-gelykrigtingsgedrag met 'n gelykrigtingsverhouding van meer as 108, wat hoër is as die meeste van die gerapporteerde toestelle.44Ons het ook die IV-kromme met die Shockley-vergelyking gepas en 'n ideale faktor van 2.15 bereik, wat aandui dat die transport oorheers word deur die rekombinasie van die elektrone en gate by die MQW's eerder as die diffusieproses. Die aanskakelspanning word afgelei as 2.1 V vanaf die lineêre grafiek van IV-uitharding, wat baie kleiner is as die gerapporteerde resultate wat tipies binne die reeks van 2.5 tot 2.8 volt val.45,46. Die serieweerstand word afgelei as 135 Ω, wat dui op goeie kontak van die elektrodes op beide p-GaN en n-GaN, wat die Joule-hitteopwekking van die Mikro-LED's grootliks verminder.

'n 'n Regte Mikro-LED-skermbeeld verkry met behulp van 'n sondestasie. b IV-eienskappe in lineêre en logaritmiese skaal. c EL-spektra gemeet by die verskillende strome. d Die geëkstraheerde piekgolflengte en en helderheidsprestasie met verskillende strome. f Vergelyking van Mikro-LED's se sleutelparameters in hierdie werk met 'n paar tipiese gerapporteerde resultate

Figuur 4c, d toon die elektroluminesensie (EL) intensiteitsprofiele en die piekgolflengte van die Mikro-LED verkry by verskillende inspuitstroom. Dit dui op 'n blou verskuiwing van 530 tot 505 nm terwyl die stroom toeneem van 0.3 tot 900 mA. Dit kan redelikerwys toegeskryf word aan die piezo-elektriese polarisasie wat in die MQW's afgebreek word en die stralingsrekombinasie van draers by 'n hoër energietoestand as gevolg van hoë inspuitstroom.250.39-duim (1080 × 780) groen Mikro-LED-skerms word ook gemeet. Die ooreenstemmende helderheidsinligting word in Fig. 4e, vir die 30 × 30 Mikro-LED's-skikking, neem die helderheid toe met inspuitstroom en bereik 'n maksimum van 1.2 × 107 cd/m2 (nits) teen 1000 A/cm2. Vir 0.39-duim Mikro-LED-skerms toon die helderheid ook 'n soortgelyke toenemende tendens tot 186017 Cd/m2 teen 5 A/cm2. Figuur S7 beeld die EQE uit as 'n funksie van die totale inspuitstroom, wat 'n piek EQE-waarde van 7.17% teen 'n stroomdigtheid van 2 A/cm2 demonstreer. Figuur 4f toon die vergelyking van die helderheidsparameter van ons Mikro-LED met 'n paar tipiese gerapporteerde resultate, waar ons resultaat een van die hoogste waardes onder die gerapporteerde resultate verteenwoordig.25,26,27,45,47,48,49,50, spesifieke besonderhede is in Aanvullende Tabel S3.

Aktiewe matriks Mikro-skerm

Figuur5aillustreer die helderheidskartering van 'n enkele mikroskerm verkry vanaf ses-en-negentig verskillende punte oor 8 × 6 mm areas teen 'n dryfstroom van 1.5 A/cm². Indrukwekkend is dat die standaardafwykings (STDEV) buitengewoon klein is en onder 720 Cd/m² (2.2%) meet, met 'n gemiddelde helderheid van 32 987 Cd/m². Die helderheidsuniformiteit by hoër stroomdigthede word verder getoets en uitgebeeld in Fig.S8Hierdie resultate toon dat die eenvormigheid nie by hoër stroomdigthede versleg nie. Wanneer demura-tegnologie toegepas word, kan die eenvormigheid vir mikro-vertoonskerms verder verbeter word (Fig.S9Figuur5btoon die helderheid van 30 verskillende mikroskerms op dieselfde wafer teen dieselfde dryfstroom, wat STDEV en gemiddelde helderheidswaardes van onderskeidelik 1365 Cd/m² (4,2%) en 32 129 Cd/m² openbaar. Hierdie uitsonderlike helderheidsuniformiteit kan toegeskryf word aan die uniforme GaN-op-silikon epilae en gevorderde vervaardigingstegnologie. Figuur5ctoon 'n verpakte Mikro-LED-skermskyfie, wat die logo van Hunan Universiteit wys. Die skerm het 829 400 (1080 × 780) pixels met 'n toonhoogte van 7,5 μm, wat ooreenstem met 3400 pixels per duim (PPI). Elke pixel het bestaan ​​uit 'n 5-μm Mikro-LED en Si-gebaseerde CMOS-drywer. Alle pixels het 'n gemeenskaplike katode-pad gedeel met 'n onafhanklik adresseerbare skandeerlyn en datalyn. Wanneer 'n spesifieke pixel 'n spanning ontvangInskandeer op die skandeerlyn enIndata op die datalyn, word die pixel verlig. Die beeld word in 'n statiese vertoonmodus gehou deur die laai en ontlaai van kondensators teen 'n verversingstempo van 60 Hz. Boonop beskik die skerm oor 'n 8-bis grysskaal-vertoonvermoë, wat kontrasbeheer moontlik maak wanneer beelde en films vertoon word. Figuur5dtoon die vergrote werklike beeld van die tier wat deur die skerm vertoon word, meer beelde kan in Fig.S10, waar elke detail duidelik opgelos kan word. Dit demonstreer 'n duidelike beeldvermoë en bereik suksesvol hoëdefinisie-terugspeel van beelde en films (Aanvullende Video1).

'nDie helderheidskartering van 'n enkele mikroskerm, wat hoë eenvormigheid met STDEV bDie statistiese verspreiding van die helderheid van 30 mikroskerms op dieselfde epitaksiale wafer.c'n Regte beeld van 'n verpakte Mikro-LED-skermskyfie.dRegte vertoonbeelde van tier wat deur die skerm vertoon word

Bespreking

Ten slotte bied ons 'n uniforme 4-duim groen GaN-op-silikon epilaagwafel aan, gekenmerk deur lae ontwrigtingsdigtheid, uitstekende golflengte-uniformiteit en minimale wafelbuiging. Atoomsywandpassiveringsbenadering is ontwikkel om die probleem van sywanddefekte in klein Mikro-LED's aan te spreek, wat draerrekombinasie by defekplekke effektief verminder. Hierdie passiveringsproses, tesame met die goed beheerde oppervlakruf, het die optiese en elektriese werkverrigting van die groen Mikro-LED's aansienlik verbeter. Die hoë-resolusie, hoogs helder GaN-op-Si Mikro-LED-skikking met pixelgroottes so klein as 5 μm vertoon 'n helderheid van meer as 107 cd/m2 (nits). Daarbenewens word die vertikale nie-belyningbindingstegniek gebruik om die Mikro-LED-skerm naatloos te integreer met 'n Si-gebaseerde CMOS-drywer. Hierdie integrasie bereik nie net merkwaardige helderheidsuniformiteit nie, maar ook 'n hoë-resolusie beeldvertoning. Hierdie werk beklemtoon die potensiaal van Mikro-LED-skerms en dryf hul wydverspreide toepassing in werklike scenario's aan.

Materiaal en metodes

Groei van GaN-op-Si epilae

'n Si-gebaseerde groen epitaksiale wafer word gekweek deur MOCVD; hoë-suiwer stikstof (N2) en waterstof (H2) word as draergasse gebruik; trimetielgallium (TMGa) en trimetielindium (TMIn), trimetielaluminium (TMAl) en ammoniak (NH3) word as Ga-, In-, Al- en N-voorlopers gebruik; SiH4 en Cp2Mg word as doteringsbron van n-tipe en p-tipe GaN gebruik.

Mikro-LED-skyfievervaardiging

Na epitaksiale groei word die wafer met ITO (110 nm) op p++ GaN deur middel van sputtering bedek en vir 5 minute by 500 °C deur RTA uitgegloei, en dan word 'n 700 nm dik Cr/Pt/Au metaalstapellaag deur E-straalverdamping neergelê, wat voorberei en aan 'n ondersteunende CMOS-substraat gebind word. Die epitaksiale Si (111) substraat word dan verwyder met behulp van 'n alkaliese gemengde oplossing (NaOH, Isopropylalkohol en H2O) by 85 °C vir 30 minute. Die hoëweerstandbufferlaag word verwyder met ICP (Plasmalab 133 ICP 380, Oxford). GaN-mesa word bereik deur fotolitografie met 'n staplitografiemasjien (NSR-2205i11, Nikon) en etsprosesse met behulp van BCl3/Cl2-gas met ICP. KOH met 'n massafraksie van 18% behandeling word verder uitgevoer na die GaN-mesa by 40 °C; 50 nm Al2O3 is verder neergelê met behulp van ALD (TFS 200, Beneq). Laastens, na die opening van die venster bo-op die mesa, word die stroomverspreidingslaag (110 nm ITO) deur middel van verstuiwing op die n-GaN-laag neergelê en vir 3 minute by 300 °C gegloei, en dan word 'n 1.5 μm dik Cr/Al/Ti/Pt/Au-metaalstapellaag as 'n gemeenskaplike katode-elektrode deur middel van E-straalverdamping neergelê.

Voorbeeldkarakterisering

Die optiese beelde van die Mikro-LED is gekarakteriseer deur 'n mikroskoop (Zeiss Axio Scope A1) en 'n kamera van die mate 60. Die SEM-beelde is gekarakteriseer deur die veldemissie-SEM (Nova NanoSEM 230, FEI). Die TEM- en HRTEM-beelde is verkry met 'n transmissie-elektronmikroskoop (FEI Themis Z (3.2)). PL-spektra is gemeet op konfokale mikroskoopstelsels (WITec, Alpha 300R) toegerus met 'n opwekking van 'n 488 nm-laser.

Die elektriese werkverrigting van die soos-vervaardigde toestelle is uitgevoer met behulp van 'n selfgeboude sondestasie met die spektroradiometer cs-2000a gekoppel aan 'n hoë-akkuraatheid luminansiemeter en spektrometer en 'n Keithley 2450 as stroombron. Die fotone is deur die spektroradiometer cs-2000a versamel toe Mikro-LED's aan 'n konstante stroom gegee is om die ooreenstemmende helderheidswaarde te bereken. Om Mikro-LED-helderheidswaardes geriefliker op te spoor en te evalueer, het ons die luminansiemeter-sondearea geneem as die werklike area waar fotone versamel word. Dit beteken dat onverligte areas tussen pixels nie verwyder is nie.