目前，基于GaN的Micro-LED微顯示技術(shù)已經(jīng)成為全球?qū)W術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，但由于材料晶體質(zhì)量限制以及芯片微縮化后側(cè)壁損傷所帶來(lái)的性能急劇衰減，現(xiàn)有的Micro-LED微顯示屏在亮度和均勻性方面難以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。同時(shí)，Micro-LED微顯示的規(guī)模應(yīng)用要求對(duì)制程良率、器件可靠性、和生產(chǎn)成本嚴(yán)格控制，這使得大尺寸硅襯底GaN晶圓制程技術(shù)成為Micro-LED的最佳產(chǎn)業(yè)化路線。GaN基Micro-LED晶圓制程難度很大，面臨一系列的技術(shù)和工藝挑戰(zhàn)。
10月9日消息，針對(duì)以上Micro LED微顯示技術(shù)難題，湖南大學(xué)潘安練教授和李東教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合諾視科技、晶能光電等合作者，成功開(kāi)發(fā)了包括大尺寸高質(zhì)量硅基Micro LED外延片制備工藝、非對(duì)準(zhǔn)鍵合集成技術(shù)和原子級(jí)側(cè)壁鈍化技術(shù)的IC級(jí)GaN基Micro LED晶圓制造技術(shù)，在硅襯底GaN外延片上實(shí)現(xiàn)了目前公開(kāi)報(bào)道最高亮度的綠光Micro LED微顯模組。
相關(guān)研究結(jié)果以“Ultra-highbrightness Micro-LEDs with wafer-scale uniform GaN-on-siliconepilayers”為題在Light:Science & Applications上發(fā)表。
據(jù)悉，硅襯底GaN基Micro-LED外延片具有大尺寸、襯底易剝離、與CMOS工藝兼容等核心優(yōu)勢(shì)，被公認(rèn)為Micro-LED微顯示技術(shù)的最佳產(chǎn)業(yè)化路線。圖1a展示了4英寸硅襯底GaN基Micro-LED外延片的實(shí)物照片和結(jié)構(gòu)示意圖，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種“Ga原子表面活性劑輔助生長(zhǎng)”方法，在1100℃中等溫度條件下生長(zhǎng)高質(zhì)量AlN緩沖層，并制備出具有低位錯(cuò)密度（~5.25×108cm-2）、低翹曲（16.7μm）和優(yōu)良波長(zhǎng)均勻性（標(biāo)準(zhǔn)差0.939 nm）的綠光Micro-LED外延結(jié)構(gòu)（如圖1b-1d）。該技術(shù)已成功拓展至6、8及12英寸硅襯底GaN晶圓。
圖1：（a）4英寸外延片實(shí)物圖及外延結(jié)構(gòu)示意圖；（b）GaN（002）/（102）雙晶的HRXRD搖擺曲線；（c）和（d）分別為外延片翹曲度和光致發(fā)光主波長(zhǎng)mapping圖
基于高質(zhì)量硅襯底GaN基綠光外延材料，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種Micro-LED側(cè)壁的濕法修復(fù)和粗化技術(shù)，利用堿性溶液對(duì)GaN材料極性面和非極性面的腐蝕速率存在各向異性的特點(diǎn)，成功去除了Micro-LED側(cè)壁刻蝕損傷，并結(jié)合原子級(jí)側(cè)壁鈍化，有效降低了側(cè)壁非輻射復(fù)合速率。該技術(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了出光面的深亞微米級(jí)粗化，有效提升了Micro-LED的光提取效率。如圖2所示結(jié)果表明，濕法修復(fù)和粗化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Micro-LED亮度的大幅提升。像素尺寸為5μm的Micro-LED微顯示陣列最高發(fā)光亮度可達(dá)1000萬(wàn)尼特。
圖2：（a）側(cè)壁鈍化處理后的發(fā)光像素SEM圖；（b）Micro-LED器件亮度曲線圖；（c）晶圓級(jí)光刻像素后的實(shí)物圖（上），Micro-LED顯示屏點(diǎn)亮照片（下），插圖為30×30發(fā)光像素矩陣
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了垂直非對(duì)準(zhǔn)鍵合集成技術(shù)，成功構(gòu)建了與硅基CMOS緊密集成的可獨(dú)立尋址的Micro-LED顯示芯片，0.39英寸顯示屏具有優(yōu)異的亮度均勻性，標(biāo)準(zhǔn)差僅為720Cd/m2(2.2%),像素密度高達(dá)3400PPI，實(shí)現(xiàn)了圖片和視頻的高清顯示。
圖3：（a）Micro-LED與CMOS驅(qū)動(dòng)集成示意圖；（b）芯片像素單元FIB測(cè)試剖面圖；（c）0.39英寸顯示屏亮度均勻性mapping圖；（d）湖南大學(xué)logo照片高清顯示效果圖。
該研究工作基于高質(zhì)量的硅襯底GaN基Micro-LED外延材料，開(kāi)發(fā)了包括濕法處理技術(shù)、原子級(jí)鈍化技術(shù)和垂直非對(duì)準(zhǔn)鍵合技術(shù)的IC級(jí)Micro-LED晶圓制程，成功制備出超高亮度的Micro-LED微顯矩陣和與硅基CMOS集成的Micro-LED微顯示屏，為高亮度GaN基Micro-LED微顯示的規(guī)模化制造和應(yīng)用提供了重要支撐。（來(lái)源：中國(guó)光學(xué)、Light:Science & Applications）
