目前，基于GaN的Micro-LED微顯示技術已經成為全球學術研究和產業開發的熱點，但由于材料晶體質量限制以及芯片微縮化后側壁損傷所帶來的性能急劇衰減，現有的Micro-LED微顯示屏在亮度和均勻性方面難以達到實際應用的要求。同時，Micro-LED微顯示的規模應用要求對制程良率、器件可靠性、和生產成本嚴格控制，這使得大尺寸硅襯底GaN晶圓制程技術成為Micro-LED的最佳產業化路線。GaN基Micro-LED晶圓制程難度很大，面臨一系列的技術和工藝挑戰。

10月9日消息，針對以上Micro LED微顯示技術難題，湖南大學潘安練教授和李東教授團隊聯合諾視科技、晶能光電等合作者，成功開發了包括大尺寸高質量硅基Micro LED外延片制備工藝、非對準鍵合集成技術和原子級側壁鈍化技術的IC級GaN基Micro LED晶圓制造技術，在硅襯底GaN外延片上實現了目前公開報道最高亮度的綠光Micro LED微顯模組。

相關研究結果以“Ultra-highbrightness Micro-LEDs with wafer-scale uniform GaN-on-siliconepilayers”為題在Light:Science & Applications上發表。

據悉，硅襯底GaN基Micro-LED外延片具有大尺寸、襯底易剝離、與CMOS工藝兼容等核心優勢，被公認為Micro-LED微顯示技術的最佳產業化路線。圖1a展示了4英寸硅襯底GaN基Micro-LED外延片的實物照片和結構示意圖，研究團隊開發了一種“Ga原子表面活性劑輔助生長”方法，在1100℃中等溫度條件下生長高質量AlN緩沖層，并制備出具有低位錯密度（~5.25×108cm-2）、低翹曲（16.7μm）和優良波長均勻性（標準差0.939 nm）的綠光Micro-LED外延結構（如圖1b-1d）。該技術已成功拓展至6、8及12英寸硅襯底GaN晶圓。

圖1：（a）4英寸外延片實物圖及外延結構示意圖；（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光主波長mapping圖

基于高質量硅襯底GaN基綠光外延材料，研究團隊開發了一種Micro-LED側壁的濕法修復和粗化技術，利用堿性溶液對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，成功去除了Micro-LED側壁刻蝕損傷，并結合原子級側壁鈍化，有效降低了側壁非輻射復合速率。該技術同時實現了出光面的深亞微米級粗化，有效提升了Micro-LED的光提取效率。如圖2所示結果表明，濕法修復和粗化技術實現了Micro-LED亮度的大幅提升。像素尺寸為5μm的Micro-LED微顯示陣列最高發光亮度可達1000萬尼特。

圖2：（a）側壁鈍化處理后的發光像素SEM圖；（b）Micro-LED器件亮度曲線圖；（c）晶圓級光刻像素后的實物圖（上），Micro-LED顯示屏點亮照片（下），插圖為30×30發光像素矩陣

研究團隊進一步開發了垂直非對準鍵合集成技術，成功構建了與硅基CMOS緊密集成的可獨立尋址的Micro-LED顯示芯片，0.39英寸顯示屏具有優異的亮度均勻性，標準差僅為720Cd/m2(2.2%),像素密度高達3400PPI，實現了圖片和視頻的高清顯示。

圖3：（a）Micro-LED與CMOS驅動集成示意圖；（b）芯片像素單元FIB測試剖面圖；（c）0.39英寸顯示屏亮度均勻性mapping圖；（d）湖南大學logo照片高清顯示效果圖。

該研究工作基于高質量的硅襯底GaN基Micro-LED外延材料，開發了包括濕法處理技術、原子級鈍化技術和垂直非對準鍵合技術的IC級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微顯示的規模化制造和應用提供了重要支撐。（來源：中國光學、Light:Science & Applications）