Micro-LEDs à ultra-haute luminosité avec des épicouches uniformes de GaN sur silicium à l'échelle de la plaquette

Avec l'accélération de l'innovation dans le domaine des technologies d'affichage et l'essor des applications de micro-affichage telles que la réalité virtuelle (RV) et la réalité augmentée (RA), la miniaturisation et l'intégration poussée sont devenues les nouvelles tendances en matière d'affichage. Dans ce contexte, la technologie d'affichage Micro-LED a émergé, palliant les insuffisances des technologies de micro-affichage traditionnelles en termes de résolution et de luminosité, et s'imposant comme une voie de développement majeure pour la prochaine génération de micro-affichage.
Le nitrure de gallium (GaN), semi-conducteur à bande interdite directe le plus important, possède d'excellentes propriétés telles qu'une conductivité thermique élevée, une rigidité diélectrique élevée et une vitesse de dérive électronique saturée élevée, ce qui en fait un matériau clé pour le développement de la technologie des micro-écrans LED. Actuellement, cette technologie est au cœur de la recherche académique et du développement industriel à l'échelle mondiale. Cependant, en raison des limitations de la qualité cristalline du matériau et de la forte baisse de performance due aux dommages sur les parois latérales lors de la miniaturisation des puces, les micro-écrans LED existants ne répondent pas aux exigences des applications concrètes en termes de luminosité et d'uniformité. Parallèlement, le déploiement à grande échelle des micro-écrans LED exige une maîtrise rigoureuse du rendement, de la fiabilité et des coûts de production, faisant de la fabrication de plaquettes de GaN sur substrat de silicium de grande taille la meilleure voie d'industrialisation pour les Micro-LED. Le procédé de fabrication de ces plaquettes est complexe et se heurte à de nombreux défis techniques et de procédés, et peu d'exemples de réussite ont été rapportés à ce jour.
Pour résoudre ces problèmes, les professeurs Pan Anlian et Li Dong de l'université du Hunan, en collaboration avec des partenaires de Nosilicon Technology et Jineng Photonics, ont développé avec succès une technologie de fabrication de plaquettes Micro-LED à base de GaN au niveau des circuits intégrés, comprenant un procédé de préparation de films épitaxiaux Micro-LED à base de silicium de grande taille et de haute qualité, une technologie d'intégration par collage sans alignement et une technologie de passivation des parois latérales au niveau atomique, atteignant ainsi la luminosité la plus élevée jamais rapportée publiquement pour un module de micro-affichage Micro-LED à lumière verte sur un film épitaxial GaN sur substrat de silicium.

Grâce à leur haute densité de pixels et à leur luminosité élevée, les micro-diodes électroluminescentes (Micro-LED) à base de nitrure de gallium (GaN) sont considérées comme une technologie d'affichage révolutionnaire et offrent d'importantes perspectives d'application dans les domaines du micro-affichage et de l'affichage virtuel. Cependant, les Micro-LED dont la taille des pixels est inférieure à 10 μm rencontrent encore des difficultés techniques, telles que la dégradation des parois latérales et une efficacité d'extraction de la lumière limitée, ce qui entraîne une réduction de l'efficacité lumineuse et une forte hétérogénéité de la luminosité. Dans cette étude, nous présentons des micro-écrans verts haute luminosité avec des pixels de 5 μm, utilisant des épicouches de GaN sur silicium de haute qualité. Une épicouche de GaN verte uniforme, à l'échelle d'une plaquette de quatre pouces, est d'abord déposée sur un substrat de silicium. Cette épicouche présente une faible densité de dislocations (5,25 × 10⁸ cm⁻²), une faible courbure de la plaquette (16,7 μm) et une grande uniformité de longueur d'onde (écart-type

Épicouches de GaN sur Si vertes de haute qualité de 4 pouces

La plaquette Micro-LED verte de ce travail est cultivée sur un substrat Si (111) par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) et une image optique typique est représentée sur la Fig. 1a La structure épitaxiale dans la direction verticale est illustrée schématiquement dans le panneau de droite de la figure. 1aLe processus de croissance est généralement initié par une couche de nucléation d'AlN de 200 nm d'épaisseur, suivie d'empilements AlGaN-GaN de 1,5 μm d'épaisseur pour le contrôle des contraintes et l'annihilation des dislocations. Il convient de noter que la croissance d'une couche d'AlN de haute qualité est cruciale pour l'obtention d'épicouches de GaN sur Si de haute qualité. Il est bien connu que les épicouches de GaN déposées sur des substrats de silicium sont sujettes à la fissuration en raison de la grande différence de leurs coefficients de dilatation thermique. Des couches tampons de nucléation d'AlN sont couramment utilisées pour limiter les fissures dans les épicouches de GaN sur Si. Cependant, l'obtention d'une haute qualité requiert généralement des températures de croissance supérieures à 1400 °C en raison des fortes liaisons Al-N. Ceci représente un défi, car le point de fusion du silicium n'est que de 1414 °C, rendant de telles températures difficiles à atteindre sur des substrats de silicium. Pour pallier ce problème, nous avons utilisé, dans nos travaux, du gallium (Ga) comme tensioactif lors de la croissance d'AlN. Cette approche a favorisé la migration des adatomes d'aluminium (Al) à une température de croissance plus modérée de 1100 °C grâce à la passivation de la surface de croissance, assurant ainsi la croissance ultérieure d'épicouches de haute qualité. Après la couche tampon (couche de nucléation d'AlN et empilements AlGaN-GaN de contrôle des contraintes et d'annihilation des dislocations), une couche de GaN de type n de 2 μm d'épaisseur est déposée, suivie de 30 périodes de superréseaux InGaN/GaN et de 4 puits quantiques de pré-structure InGaN (pré-PQ, avec une teneur en indium de 10 %) afin de relâcher efficacement les contraintes de compression avant la croissance de 8 périodes de puits quantiques multiples (PQM) InGaN/GaN verts (2,5 nm/12 nm, avec une teneur en indium de 25 %). Des superréseaux AlGaN/GaN de type p ont ensuite été élaborés et utilisés comme couche de blocage d'électrons (EBL), suivis d'une couche de GaN de type p et d'une couche de contact fortement dopée au magnésium afin d'obtenir une résistance de contact faible et uniforme. La diffraction des rayons X à haute résolution a été utilisée pour caractériser la qualité cristalline de l'épicouche sur substrat de silicium. Comme illustré sur la figure… 1bLes valeurs de largeur à mi-hauteur (FWHM) des courbes de diffraction des réflexions (002)/(102) étaient respectivement de 277 et 264 secondes d'arc, correspondant à une densité totale de dislocations d'environ 5,25 × 10⁸ cm⁻² (Tableau supplémentaire). S1). La cartographie de l'état de courbure de la plaquette est présentée sur la figure. 1cGrâce à la conception méticuleuse des structures de contrôle de contrainte, la plaquette présente une courbure convexe de 16,7 μm à température ambiante. Cette faible courbure la rend parfaitement compatible avec les procédés de fabrication standard ultérieurs à l'échelle de la plaquette, tels que le collage et la photolithographie. La figure 1 présente une cartographie de la longueur d'onde dominante sur l'épicouche. 1 jour, révélant une longueur d'onde dominante moyenne de 531,98 nm avec un écart type de 0,939 nm. Notamment, la variation de longueur d'onde à travers la plaquette était de 6 nm et réduite à seulement 1,7 nm à l'échelle de 0,39 pouce (Fig. S1).

un Photographie typique d'une plaquette épitaxiale à base de silicium de 4 pouces, où la structure épitaxiale est visible sur la droite. b Diagramme de diffraction des rayons X à haute résolution d'une épicouche cultivée sur un substrat Si (111), où les valeurs FWHM des courbes de diffraction correspondant à (002) et (102) sont mesurées à 277 arcsec et 264 arcsec, respectivement. c La cartographie de l'état de courbure de la plaquette, qui indique une courbure convexe de 16,7 μm. d Cartographie de la longueur d'onde dominante sur l'épicouche. et Cartographie EBSD IPF et EBSP de l'épicouche sur une zone de 1 × 1 mm. f Image obtenue par microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) et distribution des éléments du puits quantique multiple GaN/InGaN

Pour vérifier la monocristallinité des films de GaN, la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) est réalisée à grande échelle. La carte de la figure de pôle inverse (IPF) le long de la direction normale, associée à l'orientation cristalline [0001], présente une couleur rouge uniforme, indiquant une orientation hors plan identique, sans limites discernables ni rotations de domaines (Fig. 1e). De plus, l'examen des figures de rétrodiffusion d'électrons (EBSP) collectées à six positions différentes sur une zone de 1 × 1 mm ne révèle qu'un seul ensemble de figures de Kikuchi (panneau de droite de la Fig. 1eCette preuve irréfutable établit une orientation cristalline unique dans l'ensemble des films de GaN, confirmant leur nature monocristalline constante sur une échelle millimétrique. Cette uniformité est essentielle pour garantir la précision requise pour la conception des micro-LED. Nous avons également examiné la distribution de l'indium dans les puits quantiques et la qualité de l'interface. Comme le montre la figure… 1fNous avons observé un contraste net et précis à l'interface InGaN/GaN ainsi qu'une distribution périodique bien définie de l'indium, ce qui confirme sans équivoque la haute qualité des matériaux de l'épicouche.34,35Ceci peut être attribué à l'incorporation de pré-QW à faible teneur en indium, qui joue un rôle crucial dans l'amélioration de la qualité et de l'uniformité des MQW à concentrations d'indium plus élevées, notamment pour l'émission de lumière verte. L'image au microscope à fluorescence, l'image au microscope à force atomique et les résultats du balayage ω-2θ HRXRD confirment tous la haute qualité cristalline de l'épicouche (Fig. S2un-cUne analyse complète des paramètres des matériaux, comparant notre épicouche aux épicouches de GaN rapportées dans la littérature, est présentée de manière systématique dans le tableau supplémentaire. S1 et S2Les données mettent en évidence des performances supérieures en termes de densité de dislocations et de courbure des plaquettes dans nos travaux, comparativement aux résultats précédemment publiés.36,37.

Lorsque de telles plaquettes épitaxiales GaN sur Si ont été traitées pour obtenir des puces de puissance LED verticales de 26 × 26 mil2 (660 × 660 μm2), elles ont fourni une efficacité quantique externe médiane de 45 % à la densité de courant de 30 A/cm2 (Fig. S2d), comparables aux puces LED vertes verticales commerciales de même taille cultivées sur des substrats de saphir structurés38Les épicouches de GaN vertes déposées sur des substrats de silicium, présentant une bonne uniformité de longueur d'onde, une faible courbure de la plaquette et une densité de dislocations acceptable, se sont révélées exceptionnellement adaptées à la fabrication de micro-LED de petite taille. De plus, cette approche est également applicable à la croissance d'épicouches de GaN sur Si de 6 pouces avec une faible courbure de la plaquette (Fig. S3).

Puces micro-LED haute luminosité

Chiffre 2a Cet article présente le procédé de fabrication des puces Micro-LED intégrées CMOS, qui comprend neuf étapes principales. Brièvement, le procédé débute par la préparation d'une plaquette épitaxiale à base de silicium. Une couche d'ITO de 110 nm est ensuite déposée, suivie du dépôt séquentiel d'empilements métalliques Cr/Pt/Au de 700 nm d'épaisseur. La plaquette est alors collée à une puce CMOS sans nécessiter d'alignement par photolithographie, grâce à un procédé de collage sans alignement. Cette approche s'affranchit des limitations de précision d'alignement généralement associées aux équipements de collage par thermocompression, permettant ainsi la fabrication de puces Micro-LED à plus haute résolution.14,15Après collage, le substrat de silicium est éliminé à l'aide d'une solution alcaline. La pixellisation du dispositif (taille et pas des pixels : 5 µm et 7,5 µm) est ensuite réalisée par un processus de gravure en trois étapes. Ce processus comprend une gravure plasma en deux étapes : Cl₂ et BCl₃ sont utilisés pour éliminer la couche tampon, suivie d'une gravure des couches restantes à base de GaN afin d'exposer le métal de collage grâce à un masque dur de SiO₂ de 300 nm déposé par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Enfin, un système de gravure par faisceau d'ions est utilisé pour éliminer l'empilement métallique à l'argon. Afin d'optimiser les pixels et de corriger les défauts, un traitement au KOH est appliqué en raison de ses effets anisotropes sur les parois latérales et la surface lumineuse des mésas de pixels.39Ce traitement élimine non seulement les résidus de matériaux sur les parois latérales, mais il rend également rugueux les grains de GaN à la surface de la mésa, facilitant ainsi l'échappement des photons de la puce. Une couche de passivation d'Al₂O₃ de 50 nm est ensuite appliquée pour recouvrir la surface, améliorant ainsi la réparation des défauts. Après l'ouverture de la fenêtre pour exposer la couche n-GaN, les électrodes de cathode sont réalisées par lithographie et métallisation afin de finaliser la fabrication du dispositif et d'établir les interconnexions. Pour plus de détails, veuillez consulter la section « Matériaux et méthodes ». Le traitement des parois latérales, essentiel à l'amélioration des performances du dispositif, sera abordé en détail ultérieurement. Grâce à ce traitement, ces micro-LED peuvent être facilement fabriquées et intégrées à grande échelle. Figure 2b La figure représente un schéma de structure d'une matrice de puces micro-LED intégrées tridimensionnelles (3D), où les puces micro-LED supérieures sont pilotées par des circuits CMOS en silicium inférieurs. 2c La figure illustre la configuration de l'écran Micro-LED, comprenant des matrices de Micro-LED (1080 × 780), des matrices de circuits de pixels et des circuits périphériques. 2D La figure montre une plaquette de 4 pouces intégrant plusieurs puces Micro-LED avec une taille d'affichage de 0,39 pouce, où chaque puce peut être éclairée indépendamment (panneau supérieur : plaquette après la formation de la mesa ; panneau inférieur : image réelle de la puce allumée). 2e La figure montre la vue en coupe d'un pixel des puces Micro-LED, où la Micro-LED est solidement collée au pilote CMOS sans aucune fissure, ce qui améliore l'uniformité de la luminosité et la fiabilité par rapport à la méthode de collage flip-chip.14,40. L'image au microscope électronique à balayage (MEB) présentée sur la figure. 2f indique la structure tridimensionnelle réelle des puces Micro-LED. Les pixels sont isolés les uns des autres pour supprimer l'émission de lumière latérale et minimiser l'angle d'émission de la lumière, empêchant efficacement la diaphonie lumineuse par simulation FDTD (Fig. S4).

figue

un Processus de fabrication de la micro-LED, comprenant le collage de plaquettes, la formation de la mésa et le processus de fabrication du dispositif. b Schéma de principe de la structure matricielle d'une puce Micro-LED intégrée 3D. c Disposition de l'écran Micro-LED. d Photographie d'une plaquette de 4 pouces intégrant plusieurs écrans Micro-LED verts de 0,39 pouce. et Vue en coupe d'un pixel des puces Micro-LED. f Structure tridimensionnelle réelle des puces Micro-LED

Les images MEB des procédés de traitement des parois latérales et de surface sont détaillées dans la Fig. 3a. Comme illustré sur la figure. 3a (À gauche), les mésas présentent des particules et des défauts sur leurs parois latérales après le procédé de gravure par plasma à couplage inductif (ICP) avec un gaz à base de chlore, ce qui peut être attribué aux facteurs suivants. D'une part, la gravure ICP utilise généralement des espèces chimiques en phase vapeur et un plasma pour enlever de la matière, ce qui peut entraîner des réactions chimiques et la formation de sous-produits.41Ces sous-produits peuvent subsister sous forme de particules à la surface de la plaquette et sur les parois latérales des mésas. Par ailleurs, la gravure ICP peut ne pas éliminer la matière de façon uniforme, ce qui engendre des irrégularités sur les parois latérales des mésas. Ces irrégularités peuvent introduire des défauts de fabrication et créer des centres de recombinaison non radiative indésirables. Pour pallier ce problème, un traitement au KOH est d'abord appliqué aux parois latérales non polaires des mésas. Ce procédé élimine efficacement les résidus, notamment les sous-produits, les particules et les impuretés générés lors de la gravure. On obtient ainsi des parois latérales plus lisses et plus propres, ce qui améliore considérablement l'efficacité de la recombinaison radiative des porteurs de charge. Dans le même temps, la surface supérieure de la micro-LED GaN de polarité N, sensible à la gravure au KOH, présente un phénomène de rugosification, comme illustré au centre de la figure. 3aLa surface supérieure de GaN présentait des grains uniformément répartis d'une taille d'environ 50 nm (Fig. S5Il convient de noter que le processus de rugosification est hautement contrôlable, les tailles de grains pouvant être optimisées à n'importe quelle valeur souhaitée (10–200 nm) en ajustant la durée et la température (Fig. S6). Chiffre 3b, c La figure présente les images de morphologie 3D de la mésa avant et après traitement au KOH. La rugosité quadratique moyenne (RMS) mesurée est de 0,51 nm et 6,24 nm respectivement, confirmant l'efficacité du traitement au KOH sur la morphologie de surface. Cette surface correctement rugueuse a facilité l'extraction de la lumière des pixels Micro-LED et a joué un rôle crucial dans l'amélioration du rendement quantique externe global de notre écran Micro-LED, ce qui est validé par des simulations FDTD. S5 Cela confirme que ces petits grains rugueux de GaN peuvent améliorer efficacement l'efficacité d'extraction de la lumière. Il est à noter que la taille des grains rugueux dans cette étude est inférieure à celle rapportée précédemment.42, ce qui indique une meilleure compatibilité avec la surface supérieure de la micro-LED à l'échelle micrométrique. Les résultats PL correspondants sont illustrés dans la figure. 3e, où l'intensité d'émission maximale est multipliée par trois après traitement au KOH, ce qui prouve une fois de plus l'efficacité de cette technique de rugosification de surface.

un Image MEB des mésas (à gauche) sans aucun traitement, (au milieu) après traitement KOH et (à droite) après passivation des défauts. b, c Images AFM de la mesa sans aucun traitement (b) et traitement au KOH (c). d Images HRTEM et EDS en coupe transversale de la paroi latérale après dépôt d'Al2O3. et, résultats f PL (et) et les traces de décroissance PL (f) correspondant à chaque étape indiquée dans (un)

Le procédé de dépôt de couches atomiques (ALD) est ensuite utilisé pour passiver la paroi latérale et réparer les défauts. L'ALD offre un contrôle exceptionnellement précis du dépôt de matériau, avec une précision jusqu'à une seule couche moléculaire. Dans ce travail, l'oxyde d'aluminium a été choisi comme matériau de passivation pour la réparation des défauts avec une précision atomique, comblant efficacement les imperfections de surface infimes telles que les fissures, les cavités ou les zones irrégulières. Figure 3D Les images HRTEM et de cartographie EDS de l'interface entre les MQW et Al2O3 montrent une paroi latérale des MQW bien recouverte d'Al2O3. L'émission PL des mésas passivées par Al2O3 est environ 5 fois supérieure à celle sans aucun traitement (Fig. 3e), démontrant un effet réparateur exceptionnel. Les courbes de décroissance de la photoluminescence (PL) correspondant à chaque étape sont illustrées sur la figure. 3fLes résultats révèlent une nette amélioration de la durée de vie moyenne de recombinaison des porteurs, passant de 7,58 ns à 10,69 ns après traitement au KOH, pour atteindre finalement 15,94 ns après passivation des mésas par Al₂O₃. Ceci suggère que la méthode de passivation atomique des parois latérales réduit efficacement la probabilité de recombinaison non radiative en diminuant les défauts de surface des parois latérales des micro-LED.43.

Chiffre 4a La figure montre une photographie de luminescence réelle d'un réseau de micro-LED 30 × 30, capable d'émettre une lumière verte uniforme. La courbe I-V du réseau de micro-LED est présentée sur la figure. 4bIl présente un comportement de redressement typique d'une diode avec un rapport de redressement supérieur à 10⁸, ce qui est plus élevé que la plupart des dispositifs rapportés.44Nous avons également ajusté la courbe I-V à l'aide de l'équation de Shockley et obtenu un facteur idéal de 2,15, indiquant que le transport est dominé par la recombinaison des électrons et des trous aux puits quantiques multiples (PQM) plutôt que par la diffusion. La tension de seuil, déduite de la linéarité de la courbe I-V, est de 2,1 V, valeur nettement inférieure aux résultats publiés, généralement compris entre 2,5 et 2,8 volts.45,46. La résistance série est déduite à 135 Ω, indiquant un bon contact des électrodes sur p-GaN et n-GaN, réduisant considérablement la génération de chaleur par effet Joule des Micro-LED.

un Image réelle d'un écran Micro-LED acquise à l'aide d'une station de test. b Caractéristiques des variables instrumentales sur échelle linéaire et logarithmique. c Spectres d'électroluminescence mesurés à différents courants. d La longueur d'onde de pic extraite et et Performances de luminosité avec différents courants. f Comparaison des paramètres clés des micro-LEDs étudiées dans ce travail avec certains résultats typiques publiés.

Chiffre 4c, d La figure montre les profils d'intensité d'électroluminescence (EL) et la longueur d'onde maximale de la micro-LED obtenus pour différents courants d'injection. Elle indique un décalage vers le bleu de 530 à 505 nm lorsque le courant augmente de 0,3 à 900 mA. Ce phénomène peut être raisonnablement attribué à la dégradation de la polarisation piézoélectrique dans les puits quantiques multiples (MQW) et à la recombinaison radiative des porteurs à un état d'énergie plus élevé due au courant d'injection élevé.25Des écrans Micro-LED verts de 0,39 pouce (1080 × 780) sont également mesurés. Les informations de luminosité correspondantes sont représentées sur la figure. 4ePour la matrice de 30 × 30 micro-LED, la luminosité augmente avec le courant d'injection et atteint un maximum de 1,2 × 10⁷ cd/m² (nits) à 1 000 A/cm². Pour les écrans micro-LED de 0,39 pouce, la luminosité présente également une tendance à la hausse similaire, jusqu'à 186 017 cd/m² à 5 A/cm². Figure S7 La figure représente l'EQE en fonction du courant d'injection total, démontrant une valeur d'EQE maximale de 7,17 % à une densité de courant de 2 A/cm2. 4f La figure montre la comparaison du paramètre de luminosité de notre micro-LED avec certains résultats typiques publiés, notre résultat représentant l'une des valeurs les plus élevées parmi les résultats publiés.25,26,27,45,47,48,49,50, les détails spécifiques figurent dans le tableau supplémentaire S3.

Micro-écran à matrice active

Chiffre5aLa figure illustre la cartographie de la luminosité d'un micro-écran unique, obtenue à partir de 96 points différents répartis sur une surface de 8 × 6 mm, sous un courant de 1,5 A/cm². De manière remarquable, les écarts-types (STDEV) sont exceptionnellement faibles, inférieurs à 720 cd/m² (2,2 %), avec une luminosité moyenne de 32 987 cd/m². L'uniformité de la luminosité à des densités de courant plus élevées est également testée et présentée dans la figure.S8Ces résultats démontrent que l'uniformité ne se détériore pas à des densités de courant plus élevées. L'application de la technologie Demura permet d'améliorer encore l'uniformité des écrans micro-présentateurs (Fig.S9). Chiffre5bLa figure illustre la luminosité de 30 micro-écrans distincts sur la même plaquette, alimentés par le même courant. Elle révèle des valeurs d'écart type (STDEV) et de luminosité moyenne de 1 365 cd/m² (4,2 %) et de 32 129 cd/m², respectivement. Cette uniformité de luminosité exceptionnelle peut être attribuée à l'homogénéité des épicouches de GaN sur silicium et à la technologie de fabrication avancée.5cL'image montre une puce d'affichage Micro-LED encapsulée, affichant le logo de l'Université du Hunan. L'écran comporte 829 400 pixels (1080 × 780) avec un pas de 7,5 μm, correspondant à une densité de 3 400 pixels par pouce (PPI). Chaque pixel est composé d'une Micro-LED de 5 μm et d'un circuit de commande CMOS sur silicium. Tous les pixels partagent une cathode commune, avec une ligne de balayage et une ligne de données adressables indépendamment. Lorsqu'un pixel spécifique reçoit une tension, il s'allume.Dansscanner sur la ligne de balayage etDansLorsque des données sont présentes sur la ligne de données, le pixel s'illumine. L'image est maintenue en mode d'affichage statique grâce à la charge et à la décharge de condensateurs à une fréquence de rafraîchissement de 60 Hz. De plus, l'écran possède une capacité d'affichage en niveaux de gris 8 bits, permettant le contrôle du contraste lors de l'affichage d'images et de vidéos. Figure5dmontre l'image réelle agrandie du tigre affichée sur l'écran, d'autres images peuvent être vues dans la Fig.S10où chaque détail est parfaitement visible. Elle offre une excellente qualité d'image et permet une lecture haute définition des images et des vidéos (voir la vidéo supplémentaire).1).

unLa cartographie de la luminosité d'un seul micro-écran, indiquant une uniformité élevée avec un écart type bDistribution statistique de la luminosité de 30 micro-écrans sur la même plaquette épitaxiale.cImage réelle d'une puce d'affichage Micro-LED encapsulée.dImages réelles d'un tigre affichées sur l'écran

Discussion

En conclusion, nous présentons une plaquette de silicium épitaxiée de GaN vert uniforme de 4 pouces, caractérisée par une faible densité de dislocations, une excellente uniformité de longueur d'onde et une courbure minimale. Une approche de passivation atomique des parois latérales a été développée pour résoudre le problème des défauts de parois latérales dans les micro-LED de petite taille, réduisant ainsi efficacement la recombinaison des porteurs au niveau des défauts. Ce procédé de passivation, associé à une rugosité de surface bien contrôlée, a considérablement amélioré les performances optiques et électriques des micro-LED vertes. Le réseau de micro-LED GaN sur Si haute résolution et haute luminosité, avec des pixels de seulement 5 μm, affiche une luminance supérieure à 107 cd/m² (nits). De plus, une technique de collage vertical non aligné a été utilisée pour intégrer parfaitement l'écran micro-LED à un circuit de commande CMOS sur silicium. Cette intégration permet d'obtenir non seulement une remarquable uniformité de luminosité, mais aussi un affichage d'image haute résolution. Ce travail souligne le potentiel des écrans micro-LED et favorise leur application à grande échelle dans des situations concrètes.

Matériels et méthodes

Croissance des épicouches de GaN sur Si

Une plaquette épitaxiale verte à base de Si est cultivée par MOCVD ; l'azote (N2) et l'hydrogène (H2) de haute pureté sont utilisés comme gaz vecteurs ; le triméthylgallium (TMGa) et le triméthylindium (TMIn), le triméthylaluminium (TMAl) et l'ammoniac (NH3) sont utilisés comme précurseurs de Ga, In, Al et N ; SiH4 et Cp2Mg sont utilisés comme source de dopage de GaN de type n et de type p.

Fabrication de puces micro-LED

Après la croissance épitaxiale, la plaquette est recouverte d'une couche d'ITO (110 nm) sur du GaN p++ par pulvérisation cathodique, puis recuite à 500 °C pendant 5 min par recuit thermique rapide (RTA). Une couche métallique Cr/Pt/Au de 700 nm d'épaisseur est ensuite déposée par évaporation par faisceau d'électrons, préparée et collée sur un substrat CMOS. Le substrat épitaxié de Si (111) est ensuite éliminé par un traitement avec une solution alcaline (NaOH, alcool isopropylique et H₂O) à 85 °C pendant 30 min. La couche tampon à haute résistance est éliminée par plasma à couplage inductif (ICP) (Plasmalab 133 ICP 380, Oxford). La mésa de GaN est obtenue par photolithographie à l'aide d'un système de lithographie par projection (NSR-2205i11, Nikon) et par gravure ionique (BCl₃/Cl₂) avec un plasma à couplage inductif. Un traitement au KOH (18 % en masse) est ensuite appliqué à la mésa de GaN à 40 °C. Une couche de 50 nm d'Al₂O₃ a ensuite été déposée par ALD (TFS 200, Beneq). Enfin, après ouverture de la fenêtre au sommet de la mésa, une couche d'étalement de courant (110 nm d'ITO) a été déposée sur la couche n-GaN par pulvérisation cathodique et recuite à 300 °C pendant 3 min. Une couche métallique Cr/Al/Ti/Pt/Au de 1,5 μm d'épaisseur a ensuite été déposée par évaporation par faisceau d'électrons pour former l'électrode de cathode commune.

Caractérisation de l'échantillon

Les images optiques de la micro-LED ont été caractérisées à l'aide d'un microscope (Zeiss Axio Scope A1) et d'une caméra mate 60. Les images MEB ont été obtenues par MEB à émission de champ (Nova NanoSEM 230, FEI). Les images MET et METHR ont été acquises avec un microscope électronique à transmission (FEI Themis Z (3.2)). Les spectres de photoluminescence ont été mesurés sur un système de microscopie confocale (WITec, Alpha 300R) équipé d'un laser d'excitation à 488 nm.

Les performances électriques des dispositifs fabriqués ont été évaluées à l'aide d'une station de test conçue spécifiquement pour cette application. Cette station comprenait un spectroradiomètre CS-2000A, couplé à un luminancemètre et un spectromètre de haute précision, ainsi qu'une source de courant Keithley 2450. Les photons ont été collectés par le spectroradiomètre CS-2000A lorsque les micro-LED étaient alimentées par un courant constant, afin de calculer la luminosité correspondante. Pour faciliter la détection et l'évaluation de la luminosité des micro-LED, la zone de mesure du luminancemètre a été considérée comme la zone réelle de collecte des photons. Autrement dit, les zones non éclairées entre les pixels n'ont pas été exclues.