Ultrahög ljusstyrka mikro-LED:er med enhetliga GaN-på-kisel-epilager i waferskala

Med den accelererande innovationen inom displayteknik och uppkomsten av mikrodisplayapplikationer som virtuell verklighet (VR) och förstärkt verklighet (AR) har miniatyrisering och starkt integrerad utveckling blivit nya trender inom displayteknik. Mot denna bakgrund uppstod Micro-LED-displaytekniken, som fyller bristerna hos traditionella mikrodisplaytekniker vad gäller viktiga indikatorer som upplösning och ljusstyrka och erkänns som en viktig utvecklingsriktning för nästa generations mikrodisplayteknik.
Som den viktigaste halvledaren med direkt bandgap har galliumnitrid (GaN) utmärkta egenskaper som hög värmeledningsförmåga, hög genombrottsfältstyrka och hög mättad elektrondrifthastighet, vilket gör den till den viktigaste materialplattformen för utveckling av Micro-LED-mikrodisplayteknik. För närvarande har GaN-baserad Micro-LED-mikrodisplayteknik blivit ett hett område för akademisk forskning och industriell utveckling över hela världen, men på grund av begränsningen av materialkristallkvaliteten och den kraftiga minskningen av prestanda orsakad av sidoväggsskador under chipminiatyrisering, uppfyller de befintliga Micro-LED-mikrodisplayerna inte de faktiska applikationskraven vad gäller ljusstyrka och enhetlighet. Samtidigt kräver den skalade tillämpningen av Micro-LED-mikrodisplayer strikt kontroll av processutbyte, enhetens tillförlitlighet och produktionskostnader, vilket gör tillverkningstekniken för GaN-skivor med stora kiselsubstrat till den bästa industrialiseringsvägen för Micro-LED. Den GaN-baserade tillverkningsprocessen för Micro-LED-skivor är mycket svår och står inför en rad tekniska och processuella utmaningar, med få framgångsrika fall som hittills rapporterats.
För att lösa dessa problem har professor Pan Anlian och professor Li Dong från Hunan University, tillsammans med samarbetspartners från Nosilicon Technology och Jineng Photonics, framgångsrikt utvecklat en GaN-baserad Micro-LED-wafertillverkningsteknik på IC-nivå, inklusive en storskalig epitaxialfilmframställningsprocess för kiselbaserad Micro-LED av hög kvalitet, integrationsteknik för icke-justeringsbindning och passiveringsteknik för sidoväggar på atomnivå. Detta uppnådde den högsta offentligt rapporterade ljusstyrkan för Micro-LED-mikrodisplaymoduler med grönt ljus på ett GaN-epitaxialfilm av kiselsubstrat.

På grund av hög pixeltäthet och ljusstyrka anses galliumnitrid (GaN)-baserade mikrolysdioder (mikro-LED) vara revolutionerande displayteknik och har viktiga tillämpningsmöjligheter inom områdena mikrodisplayer och virtuell display. Mikro-LED med pixelstorlekar mindre än 10 μm stöter dock fortfarande på tekniska utmaningar som sidoväggsskador och begränsad ljusutvinningseffektivitet, vilket resulterar i minskad ljuseffektivitet och allvarlig ojämn ljusstyrka. Här rapporterade vi gröna mikrodisplayer med hög ljusstyrka och en 5 μm pixel som använder högkvalitativa GaN-på-Si-epilager. Ett enhetligt grönt GaN-epilager i waferskala på fyra tum odlas först på kiselsubstrat, vilket har en låg dislokationstäthet på 5,25 × 108 cm−2, liten waferböjning på 16,7 μm och hög våglängdsuniformitet (standardavvikelse STDEV

Högkvalitativa 4-tums gröna GaN-på-Si-epilager

Den gröna Micro-LED-skivan i detta arbete odlas på Si (111)-substrat genom metallorganisk kemisk ångdeponering (MOCVD) och en typisk optisk bild visas i figur 3. 1a Epitaxistrukturen i vertikal riktning illustreras schematiskt i den högra panelen i figur 1. 1aTillväxtprocessen initieras vanligtvis av ett 200 nm tjockt AlN-kärnbildningsskikt, följt av 1,5 μm tjocka AlGaN-GaN-stöjningskontroll- och dislokationsannihilationsstackar. Det bör noteras här att tillväxten av högkvalitativ AlN är avgörande för att uppnå högkvalitativa GaN-på-Si-epilager. Det är välkänt att GaN-epilager som odlas på kiselsubstrat är benägna att spricka på grund av den stora skillnaden i deras värmeutvidgningskoefficienter. AlN-kärnbildningsskiktbuffertar används vanligtvis för att undertrycka GaN-på-Si-episprickor. För att uppnå hög kvalitet krävs dock vanligtvis tillväxttemperaturer som överstiger 1400 °C på grund av de starka Al-N-bindningarna. Detta utgör en utmaning eftersom kisels smältpunkt bara är 1414 °C, vilket gör så höga temperaturer opraktiska på kiselsubstrat. För att åtgärda detta problem användes gallium (Ga) i vårt arbete som ytaktivt medel under AlN-tillväxt. Denna metod främjade migrationen av aluminium (Al) adatomer vid en mer moderat tillväxttemperatur på 1100 °C genom att passivera tillväxtytan, vilket säkerställde den efterföljande tillväxten av högkvalitativa epilager. Efter buffertlagret (AlN-kärnbildningslager och AlGaN-GaN töjningskontroll- och dislokationsannihilationsstackar) odlas ett 2 μm tjockt n-typ GaN, följt av 30 perioder av InGaN/GaN supergitter och 4×InGaN pre-kvantbrunnar (pre-QW, med In-halt på 10%) för att effektivt avslappna den tryckande töjningen före tillväxten av 8 perioder av grönt InGaN/GaN (2,5 nm/12 nm, med In-halt på 25%) multipla kvantbrunnar (MQW). P-typ AlGaN/GaN supergitter odlades ytterligare och användes som elektronblockerande lager (EBL), följt av p-typ GaN och ett höggradigt magnesiumdopat kontaktlager för att uppnå en låg och enhetlig kontaktresistans. Högupplöst röntgendiffraktion används för att karakterisera kristallkvaliteten hos epilagret på Si-substrat. Som visas i Fig. 1b, var värdena för full bredd vid halva maximum (FWHM) för (002)/(102) reflektionsvängningskurvorna 277 bågsekunder respektive 264 bågsekunder, vilket motsvarar en total dislokationstäthet på ~5,25 × 108 cm−2 (kompletterande tabell S1Kartläggningen av waferns böjningstillstånd presenteras i Fig. 1cTack vare de noggrant konstruerade töjningskontrollstackarna uppvisar wafern en konvex böjning på 16,7 μm vid rumstemperatur. Den lilla waferböjningen gjorde den mycket kompatibel med efterföljande standardtillverkningsprocesser i waferskala, såsom waferbonding och fotolitografi. En wafermappning av den dominerande våglängden på epilagret presenteras i figur . 1d, vilket avslöjar en genomsnittlig dominant våglängd på 531,98 nm med en standardavvikelse på 0,939 nm. Det är värt att notera att våglängdsvariationen över wafern var 6 nm och reducerades till endast 1,7 nm vid 0,39-tumsskalan (Fig. S1).

en Typiskt fotografi av en 4-tums Si-baserad epitaxialskiva, där den epitaxiella strukturen visas på höger sida. b Högupplöst röntgendiffraktionsmönster av epilager odlat på Si (111)-substrat, där FWHM-värden för gungningskurvor motsvarande (002) och (102) mäts till 277 bågsekunder respektive 264 bågsekunder. c Kartläggningen av waferböjningstillståndet, vilket indikerar en konvex böjning på 16,7 μm. d Wafermappning av den dominerande våglängden på epilagret. och EBSD IPF-mappning och EBSP av epilagret över ett område på 1 × 1 mm. f Högupplöst transmissionselektronmikroskopbild (HRTEM) och elementfördelning av GaN/InGaN MQW

För att fastställa GaN-filmernas enkristallina kvalitet utförs elektronåterspridd diffraktion (EBSD) i stor längdskala. Den inversa polfigurskartan (IPF) längs normalriktningen, associerad med kristallorienteringen [0001], uppvisar en genomgående enhetlig röd färg, vilket indikerar identisk orientering utåt i planet, utan några urskiljbara gränser eller rotationer av domäner (Fig. 1eDessutom avslöjar undersökning av elektronbakåtspridda mönster (EBSP) insamlade på sex olika positioner över ett område på 1 × 1 mm endast en uppsättning Kikuchi-mönster (högra panelen i figur 1). 1e). Detta otvetydiga bevis etablerar en enda kristallorientering genom hela GaN-filmerna, vilket bekräftar deras konsekventa enkristallina natur över ett millimeterskaleområde. Denna garanti för enhetlighet är avgörande för att säkerställa den precision som krävs för att designa mikro-LED:er. Vi undersökte också fördelningen av indium i kvantbrunnarna och gränssnittskvaliteten. Som visas i figur. 1f, observerade vi en tydlig, skarp kontrast vid InGaN/GaN-gränssnittet och en väldefinierad periodisk fördelning av indium, vilket otvetydigt bekräftar epilagermaterialens höga kvalitet.34,35Detta kan tillskrivas införlivandet av pre-QW med lågt indiuminnehåll, vilket spelar en avgörande roll för att förbättra kvaliteten och enhetligheten hos MQW med högre indiumkoncentrationer, särskilt för emission av grönt ljus. Resultat från fluorescensmikroskop, atomkraftsmikroskop och HRXRD ω-2θ-skanning bekräftar alla epilagrets höga kristallina kvalitet (Fig. S2en–cEn omfattande analys av materialparametrar, som jämför vårt epilager med rapporterade GaN-epilager, presenteras systematiskt i tilläggstabellen. S1 och S2Data understryker överlägsna prestanda vad gäller dislokationstäthet och waferböjning i vårt arbete jämfört med tidigare rapporterade resultat.36,37.

När sådana GaN-på-Si epi-wafers bearbetades till 26 × 26 mil² (660 × 660 μm²) vertikala LED-kraftchips, levererade de en median extern kvantverkningsgrad på 45 % vid strömtätheten 30 A/cm² (Fig. S2d), i nivå med kommersiella vertikala gröna LED-chip av samma storlek som odlas på mönstrade safirsubstrat38De gröna GaN-epilager som odlats på kiselsubstrat, med god våglängdsuniformitet, liten waferböjning och hyfsad dislokationsdensitet, gav exceptionell lämplighet för avancerad tillverkning av små Micro-LED. Dessutom är denna metod även tillämpbar för tillväxt av 6-tums GaN-på-Si-epilager med låg waferböjning (Fig. S3).

Mikro-LED-chip med hög ljusstyrka

Figur 2a presenterar tillverkningsprocessen för CMOS-integrerade Micro-LED-chip, som omfattar nio huvudsteg. Kortfattat börjar processen med att en prefabricerad Si-baserad epitaxiell wafer framställs. Därefter deponeras ett 110 nm lager av ITO, följt av sekventiell deponering av 700 nm tjocka Cr/Pt/Au-metallstaplar. Wafern binds sedan till ett CMOS-chip utan att någon fotolitografisk uppriktningsprocess krävs, nämligen icke-uppriktningsbindningsprocess. Denna metod övervinner de begränsningar i uppriktningsnoggrannhet som vanligtvis är förknippade med termokompressionsbindningsutrustning, vilket möjliggör tillverkning av Micro-LED-chip med högre upplösning.14,15Efter bindning avlägsnas Si-substratet med en alkalisk blandlösning. Enhetens pixelering (pixelstorlek och pitch: 5 μm och 7,5 μm) uppnås sedan genom etsningsprocesser i tre steg. Detta inkluderar en tvåstegs plasmaetsningsprocess, där Cl2 och BCl3 används för att avlägsna hela buffertlagret, följt av etsning av de återstående GaN-baserade lagren för att exponera bindningsmetallen med en 300 nm SiO2-hårdmask som deponerats genom plasmakemisk ångdeponering. Slutligen används ett jonstråleetsningssystem för att avlägsna metallstapeln med argon. För att optimera pixlarna och reparera defekter appliceras en KOH-behandling på grund av dess anisotropa effekter på sidoväggarna och den lysande ytan på pixelbladen.39Denna behandling avlägsnar inte bara restmaterial från sidoväggarna utan gör även GaN-kornen på mesaytan grovare, vilket underlättar fotonutsläpp från chipet. Därefter appliceras ett 50 nm Al2O3-passiveringsskikt för att täcka ytan, vilket ytterligare förbättrar defektreparationen. Efter att fönstret öppnats för att exponera n-GaN-skiktet, etableras katodelektroder med hjälp av litografi och metallindunstningstekniker för att slutföra tillverkningen av enheten och etablera sammankopplingar. Mer information finns i avsnittet "Material och metoder". Sidoväggsbehandlingsprocessen, som är avgörande för att förbättra enhetens prestanda, kommer att diskuteras i detalj i det senare avsnittet. Som ett resultat kan dessa mikro-LED:er enkelt tillverkas och integreras i stor skala efter behov. Figur 2b visar ett schematiskt diagram över en tredimensionell (3D) integrerad mikro-LED-chipmatrisstruktur, där de övre mikro-LED-chipsen drivs genom nedre Si CMOS-kretsar. 2c visar layouten för Micro-LED-skärmen, inklusive Micro-LED-matriser (1080 × 780), pixelkretsmatriser och kringkretsar. Figur 2D visar en 4-tums wafer som integrerade flera Micro-LED-chips med en skärmstorlek på 0,39 tum, där varje chip kan belysas oberoende (övre panelen: wafer efter mesabildning; nedre panelen: faktisk bild av chipet som lyser upp). Figur 2e visar en sektionsvy av en pixel i Micro-LED-kretsarna, där Micro-LED:n är tätt fäst vid CMOS-drivaren utan sprickor, vilket effektivt skulle öka ljusstyrkans jämnhet och tillförlitlighet jämfört med vad som uppnås med flip-chip-bondingmetoden.14,40Bilden från svepelektronmikroskop (SEM) som visas i figur. 2f indikerar den verkliga tredimensionella strukturen hos Micro-LED-chipsen. Pixlarna är isolerade från varandra för att undertrycka ljusemission från sidoväggarna och minimera ljusemissionsvinkeln, vilket effektivt förhindrar ljusöverhörning genom simuleringen av Finite Difference Time Domain (FDTD) (Fig. S4).

Fikon

en Tillverkningsprocess för Micro-LED, som innefattar waferbonding, mesa-bildning och tillverkningsprocess för komponenten. b Schematiskt diagram över 3D-integrerad Micro-LED-chipmatrisstruktur. c Layout av Micro-LED-skärmen. d Fotografi av en 4-tums wafer som integrerar flera 0,39-tums gröna Micro-LED-skärmar. och Sektionsvy av en pixel av Micro-LED-chipsen. f Verklig tredimensionell struktur av Micro-LED-chipsen

SEM-bilderna av sidoväggs- och ytbehandlingsprocesser beskrivs i figur. 3aSom illustreras i figur 3a (vänster), mesaerna har partiklar och defekter på sidoväggen efter etsningsprocessen med induktivt kopplad plasma (ICP) utrustad med klorbaserad gas, vilket kan tillskrivas följande faktorer. Å ena sidan använder ICP-etsning vanligtvis kemiska ångarter och plasma för att avlägsna material, vilket kan leda till kemiska reaktioner och bildandet av biprodukter.41Dessa biprodukter kan finnas kvar på waferns yta och sidoväggen på mesan i form av partiklar. Å andra sidan kan ICP-etsning inte avlägsna material jämnt, vilket resulterar i ojämnheter på mesan sidoväggar, vilket kan orsaka defekter i tillverkningsprocessen och skapa oönskade icke-strålande rekombinationscentra. För att hantera denna utmaning används först KOH-behandling för att behandla de opolära sidoväggarna på mesan. Denna process eliminerar effektivt kvarvarande material, inklusive biprodukter, partiklar och föroreningar som genereras under etsningsprocessen. Som ett resultat uppnås jämnare och renare sidoväggar, vilket avsevärt förbättrar laddningsbärarnas strålningsrekombinationseffektivitet. Samtidigt genomgick den N-polära GaN Micro-LED-toppytan, som är känslig för KOH-etsning, lätt ytuppruggning, såsom illustreras i mitten av figur . 3aDen övre GaN-ytan uppvisade jämnt fördelade korn med en storlek på ~50 nm (Fig. S5Det är värt att notera att uppruggningsprocessen är mycket kontrollerbar där kornstorlekarna kan optimeras till önskade värden (10–200 nm) genom att justera varaktighet och temperatur (Fig. S6Figur 3b, c presenterar 3D-morfologibilder av mesan både före och efter KOH-behandling, där RMS-yvheten (root mean square) mäts till 0,51 nm och 6,24 nm för respektive steg, vilket bekräftar effektiviteten av KOH-behandlingen på ytmorfologin. Denna korrekt grovbearbetade yta underlättade ljusutvinning från Micro-LED-pixlarna och spelade en mycket viktig roll för att öka den totala externa kvanteffektiviteten hos vår Micro-LED-display, vilket valideras genom FDTD-simuleringar. Figur S5 bekräftar att dessa små, grovbearbetade GaN-korn effektivt kan förbättra ljusextraktionseffektiviteten. Det är anmärkningsvärt att de grovbearbetade kornstorlekarna i detta arbete är mindre än i den tidigare rapporten.42, vilket indikerar bättre kompatibilitet med den mikronskaliga Micro-LED-toppytan. Motsvarande PL-resultat visas i Fig. 3e, där den maximala emissionsintensiteten visar en trefaldig förbättring efter KOH-behandling, vilket återigen bevisar effektiviteten hos denna ytgrovbearbetningsteknik.

en SEM-bild av mesorna (vänster) utan behandling, (mitten) efter KOH-behandling och (höger) efter defektpassivering. b, c AFM-bilder av mesan utan någon behandling (b) och KOH-behandling (c). d Tvärsnittsbilder av HRTEM- och EDS-bilder av sidoväggen efter Al2O3-deponering. och, f PL-resultat (och) och PL-sönderfallsspår (f) motsvarande varje steg som visas i (en)

Atomlagerdeponering (ALD) används sedan för att passivera sidoväggen och reparera defekterna. ALD hade exceptionellt exakt kontroll över materialdeponeringen med noggrannhet ner till ett enda molekylärt lager. I detta arbete valdes aluminiumoxid som passiveringsmaterial för defektreparation med precision på atomnivå, vilket effektivt fyllde små ytfelaktigheter som sprickor, hålrum eller ojämna områden. Figur 3D visar HRTEM- och EDS-mappningsbilder av gränssnittet mellan MQW och Al2O3, och visar en väl täckt sidovägg av MQW med Al2O3. PL-emissionen från de Al2O3-passiverade mesastrukturerna är ungefär 5 gånger högre än utan behandling (Fig. 3e), vilket visar en enastående reparationseffekt. Fotoluminescens (PL) sönderfallsspåren som motsvarar varje steg illustreras i Fig. 3fResultaten visar en märkbar förbättring av den genomsnittliga livslängden för rekombination av bärare – från 7,58 ns till 10,69 ns efter KOH-behandling, och når slutligen 15,94 ns efter passivering av mesorna med Al₂O₃. Detta tyder på att den atomära sidoväggspassiveringsmetoden effektivt undertrycker sannolikheten för icke-strålande rekombination genom att minska defekttillstånd på sidoväggsytan i Micro-LED.43.

Figur 4a visar ett verkligt luminescensfotografi av en 30 × 30 Micro-LED-matris, som kan avge ett enhetligt grönt ljus. IV-kurvan över Micro-LED-matrisen presenteras i Fig. 4bDen visar ett typiskt likriktningsbeteende för diod med ett likriktningsförhållande över 108, vilket är högre än de flesta rapporterade enheter.44Vi anpassade även IV-kurvan med Shockley-ekvationen och uppnådde en idealfaktor på 2,15, vilket indikerar att transporten domineras av rekombinationen av elektronerna och hålen vid MQW:erna snarare än diffusionsprocessen. Tillslagsspänningen härleds till 2,1 V från det linjära diagrammet av IV-härdning, vilket är mycket mindre än de rapporterade resultaten som vanligtvis ligger inom intervallet 2,5 till 2,8 volt.45,46. Serieresistansen beräknas vara 135 Ω, vilket indikerar god kontakt mellan elektroderna på både p-GaN och n-GaN, vilket i hög grad minskar Joule-värmeutvecklingen hos Micro-LED-lamporna.

en En riktig Micro-LED-displaybild som tagits med hjälp av en probstation. b IV-karakteristika i linjär och logaritmisk skala. c EL-spektra mätta vid olika strömmar. d Den extraherade toppvåglängden och och ljusstyrka med olika strömmar. f Jämförelse av Micro-LEDs nyckelparametrar i detta arbete med några typiska rapporterade resultat

Figur 4c, d visar elektroluminescens (EL) intensitetsprofiler och toppvåglängden för Micro-LED erhållen vid olika injektionsströmmar. Det indikerar en blå förskjutning från 530 till 505 nm medan strömmen ökar från 0,3 till 900 mA. Detta kan rimligen tillskrivas den piezoelektriska polarisationen som försämras i MQW:erna och den strålande rekombinationen av bärare vid högre energitillstånd på grund av hög injektionsström.250,39-tums (1080 × 780) gröna Micro-LED-skärmar mäts också. Motsvarande ljusstyrkeinformation visas i figur 1. 4eFör 30 × 30 Micro-LED-uppsättningen ökar ljusstyrkan med injektionsströmmen och når maximalt 1,2 × 107 cd/m2 (nits) vid 1000 A/cm2. För 0,39-tums Micro-LED-skärmar visar ljusstyrkan också en liknande ökande trend upp till 186017 Cd/m2 vid 5 A/cm2. Figur S7 visar EQE som en funktion av den totala injektionsströmmen, vilket visar ett topp-EQE-värde på 7,17 % vid en strömtäthet på 2 A/cm2. Figur 4f visar jämförelsen av ljusstyrkeparametern för vår Micro-LED med några typiska rapporterade resultat, där vårt resultat representerar ett av de högsta värdena bland de rapporterade resultaten.25,26,27,45,47,48,49,50, specifika detaljer finns i tilläggstabellen S3.

Aktiv matris-mikrodisplay

Figur5aillustrerar ljusstyrkemappningen av en enda mikrodisplay erhållen från nittiosex olika punkter över 8 × 6 mm områden vid en drivström på 1,5 A/cm². Imponerande nog är standardavvikelserna (STDEV) exceptionellt små och mäter under 720 Cd/m² (2,2 %), med en genomsnittlig ljusstyrka på 32 987 Cd/m². Ljusstyrkejämnheten vid högre strömtätheter testas ytterligare och visas i figur.S8Dessa resultat visar att likformigheten inte försämras vid högre strömtätheter. När demura-teknik tillämpas kan likformigheten för mikroskärmar förbättras ytterligare (Fig.S9Figur5bvisar ljusstyrkan hos 30 distinkta mikrodisplayer på samma wafer vid samma drivström, vilket avslöjar STDEV och genomsnittliga ljusstyrkevärden på 1365 Cd/m² (4,2 %) respektive 32 129 Cd/m². Denna exceptionella ljusstyrkeuniformitet kan tillskrivas de enhetliga GaN-på-kisel-epilagerna och avancerad tillverkningsteknik. Figur5 örevisar ett paketerat Micro-LED-displaychip med Hunan Universitys logotyp. Displayen har 829 400 (1080 × 780) pixlar med en pitchstorlek på 7,5 μm, vilket motsvarar 3400 pixlar per tum (PPI). Varje pixel bestod av en 5 μm Micro-LED och en Si-baserad CMOS-drivrutin. Alla pixlar delade en gemensam katodplatta med en oberoende adresserbar skanningslinje och datalinje. När en specifik pixel tar emot en spänningIskanna på skanningslinjen ochIdata på datalinjen, pixeln lyser upp. Bilden bibehålls i ett statiskt visningsläge genom laddning och urladdning av kondensatorer med en uppdateringsfrekvens på 60 Hz. Dessutom har skärmen en 8-bitars gråskalefunktion, vilket möjliggör kontrastkontroll vid visning av bilder och filmer. Figur5dvisar den förstorade verkliga bilden av tigern som visas på skärmen, fler bilder kan ses i Fig.S10, där varje detalj kan uppfattas tydligt. Den visar tydlig bildkvalitet och uppnår framgångsrikt högupplöst uppspelning av bilder och filmer (kompletterande video)1).

enLjusstyrkemappningen för en enda mikroskärm indikerar hög enhetlighet med STDEV bDen statistiska fördelningen av ljusstyrkan hos 30 mikrodisplayer på samma epitaxiala wafer.cEn verklig bild av ett paketerat Micro-LED-displaychip.dVerkliga bilder av tiger visas på skärmen

Diskussion

Sammanfattningsvis presenterar vi en enhetlig 4-tums grön GaN-på-kisel-epilagerskiva i waferskala som kännetecknas av låg dislokationstäthet, enastående våglängdsuniformitet och minimal waferböjning. Atomär sidoväggspassiveringsmetod har utvecklats för att åtgärda problemet med sidoväggsdefekter i små Micro-LED-lampor, vilket effektivt minskar bärvågsrekombination vid defektställen. Denna passiveringsprocess, tillsammans med den välkontrollerade ytgrovbearbetningen, förbättrade avsevärt den optiska och elektriska prestandan hos de gröna Micro-LED-lamporna. Den högupplösta, mycket ljusa GaN-på-Si Micro-LED-matrisen med pixelstorlekar så små som 5 μm uppvisar en ljusstyrka som överstiger 107 cd/m2 (nits). Dessutom används den vertikala icke-justeringsbindningstekniken för att sömlöst integrera Micro-LED-skärmen med en Si-baserad CMOS-drivrutin. Denna integration uppnår inte bara anmärkningsvärd ljusstyrkeuniformitet utan också en högupplöst bildvisning. Detta arbete belyser potentialen hos Micro-LED-skärmar och driver deras utbredda tillämpning i verkliga scenarier.

Material och metoder

Tillväxt av GaN-på-Si-epilager

En Si-baserad grön epitaxialskiva odlas med MOCVD; högrent kväve (N2) och väte (H2) används som bärargaser; trimetylgallium (TMGa) och trimetylindium (TMIn), trimetylaluminium (TMAl) och ammoniak (NH3) används som Ga-, In-, Al- och N-prekursorer; SiH4 och Cp2Mg används som dopningskälla för n-typ och p-typ GaN.

Tillverkning av mikro-LED-chip

Efter epitaxiell tillväxt beläggs wafern med ITO (110 nm) på p++ GaN genom sputtering och glödgas vid 500 °C i 5 minuter med RTA, och sedan deponeras ett 700 nm tjockt Cr/Pt/Au-metalllager genom E-stråleindunstning, vilket framställs och binds till ett CMOS-bärsubstrat. Det epitaxiella Si (111)-substratet avlägsnas sedan med hjälp av en alkalisk blandlösning (NaOH, isopropylalkohol och H2O) vid 85 °C i 30 minuter. Högresistansbuffertlager avlägsnas med ICP (Plasmalab 133 ICP 380, Oxford). GaN-mesan uppnås genom fotolitografi med en steglitografimaskin (NSR-2205i11, Nikon) och etsningsprocesser med BCl3/Cl2-gas med ICP. KOH med en massfraktion på 18 % behandling utförs vidare på GaN-mesan vid 40 °C; 50 nm Al2O3 deponerades ytterligare med ALD (TFS 200, Beneq). Slutligen, efter att fönstret på toppen av mesan öppnats, deponerades ett strömspridningsskikt (110 nm ITO) på n-GaN-skiktet genom sputtering och glödgades vid 300 °C i 3 minuter, och sedan deponerades ett 1,5 μm tjockt Cr/Al/Ti/Pt/Au-metallstapelskikt som gemensam katodelektrod genom E-stråleindunstning.

Exempelkarakterisering

De optiska bilderna av Micro-LED karakteriserades genom ett mikroskop (Zeiss Axio Scope A1) och en kamera av typen MATE 60. SEM-bilderna karakteriserades med fältemissions-SEM (Nova NanoSEM 230, FEI). TEM- och HRTEM-bilderna erhölls med ett transmissionselektronmikroskop (FEI Themis Z (3.2)). PL-spektra mättes på konfokala mikroskopsystem (WITec, Alpha 300R) utrustade med en excitationsvåg på 488 nm laser.

De elektriska prestandatesterna för de tillverkade komponenterna utfördes med hjälp av en egenbyggd probstation med spektroradiometern cs-2000a kopplad till en högnoggrann luminansmätare och spektrometer samt en Keithley 2450 som strömkälla. Fotonerna samlades in med spektroradiometern cs-2000a när mikro-LED:er utsattes för en konstant ström för att beräkna motsvarande ljusstyrkavärde. För att enklare kunna detektera och utvärdera mikro-LED:ers ljusstyrkavärden använde vi luminansmätarens probområde som det faktiska område där fotoner samlas in. Det betyder att obelysta områden mellan pixlarna inte har tagits bort.