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综述:氮化镓基MicroLED显示技术研究进展

MicroLED.cn 技术文章 2020-12-16 14:58:01 39145 0 | 文章出自:材料科学与工程 MicroLED

在目前众多显示技术中,Micro-LED 显示技术被认为是具有颠覆性的次世代显示技术,并得到学术界与产业界的广泛关注。具有对比度高、响应快、色域宽、功耗低及寿命长等优点,可以满足高级显示应用的个性化需求。然而目前在 Micro-LED 显示商业化进程中,依然存在一些技术瓶颈尚未解决。应用于 Micro-LED 晶圆的外延技术需考虑衬底选择、波长均匀性及缺陷控制等方面因素;Micro-LED 器件的效率衰减问题目前依然没有有效的解决途径。此外利用颜色转换媒介实现单片 Micro-LED 全彩显示技术尚未成熟。相关论文以题为“氮化镓基Micro-LED显示技术研究进展”发表在《人工晶体学报》。

论文链接:

https://doi.org/10.16553/j.cnki.issn1000-985x.20201111.002

现代社会已经进入信息化并向智能化方向发展,显示是实现信息交换和智能化的关键环节。在目前众多显示技术中,Micro-LED 显示技术被认为是具有颠覆性的下一代显示技术,。Micro-LED 显示具有自发光、 高效率、低功耗、高集成度、高稳定性等诸多优点,且体积小、灵活性高、易于拆解与合并,能够应用于现有从小尺寸到大尺寸的任何显示应用场合中。且在很多应用场景下,Micro-LED显示比液晶显示(LCD) 和有机发光二极管显示(OLED)能发挥出更优异的显示效果。尽管 Micro-LED 显示技术正迅速发展,但由于 LED 从照明应用向显示应用的转变,使其对 LED 外延 及器件制备等方面提出了更高的要求和挑战。此外,由于巨量转移技术不够成熟,目前大多数 Micro-LED 显示只能实现单色显示,且显示面板小于 2 英寸(5.08 cm)。实现高 ppi 的 Micro-LED 全彩显示仍需进一 步的深入研究和发展。因此本文综述了目前 Micro-LED 显示在晶圆外延、器件制备方面存在的问题以及当前的研究现状。

衬底材料

衬底材料的选择以及外延技术对于Micro-LED器件的性能有着至关重要的影响。由于Micro-LED芯片 较传统芯片微缩至小于 50 mm ,其极高的良率、均匀性要求对于衬底的选择和外延技术提出了更高的要求与挑战。应用于高分辨显示时,Micro-LED的注入电流密度非常低,由缺陷所导致的非辐射复合尤为突出, 大大降低了Micro-LED的光输出效率,因此对于Micro-LED则需要更低缺陷密度的外延片。不同晶体材料具有不同的优势,可以对应于不同的应用层面。目前,GaN基蓝绿光LED的衬底材料主要包括蓝宝石衬底、硅衬底和GaN衬底等。

波长均匀性

在市场以及工艺成本驱动下,6 英寸(15.24cm)及更大尺寸LED晶圆逐渐成为主流。随着衬底尺寸的 加大,外延生长过程中的波长均匀性控制越来越成为挑战。优化MOCVD外延生长过程中气流均匀性对LED波长均匀性的提升起着至关重要的作用。 其中8 英寸(20.32 cm)硅衬底LED波长变化标准差为 0.854 nm,超过 85%的区域发光峰波长偏移小于2.5 nm。对应的PL mapping与发光波长统计如图 1 所示,发光峰波长为 465.7 nm。

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图 1 PL mapping 与发光波长统计图

 缺陷控制

GaN和AlN等缓冲插入层经常被用于蓝宝石衬底LED外延生长中,硅衬底LED制备过程中的缓冲层 通常有AlGaN/GaN,AlN/GaN超晶格等,缓冲层的插入可以为GaN生长提供成核中心,促进 GaN 的 三维岛状生长转变为二维横向生长,降低GaN的位错密度 ,如图2所示纳米图形蓝宝石衬底生长模式。

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图 2 蓝宝石纳米衬底生长模式示意图

Micro-LED器件制备与效率衰减

而现有研究表明,mLED器件随着尺寸减小,其外量子效率产生显著衰减,且峰值效率向高电流密度方向移动。如图3 所示,mLED器件从 500 mm减小到 10 mm,其外量子效率从 10%衰减到 5%,此外峰值效率对应的电流密度 从 1 A/cm2 移动到 30 A/cm2。而应用于微显示的mLED而言,其工作电流密度一般小于 5 A/cm2,因此峰值电流的移动进一步降低了mLED器件工作的效率 。

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图 3 mLED器件外量子效率随尺寸的变化关系图

随着mLED 尺寸减小,器件的Surface-Volume-ratio比值增加,因此表面相关的非辐射复合导致的效率衰 减在小尺寸mLED  (<10 mm )中更为显著。除此之外,针对表面非辐射复合,在mLED器件制备工艺中引入表面化学处理与钝化工艺,可有效提高器件量子效率。如图 4所示,未经表面化学处理的LED器件,随着尺寸从 100  mm减小到 10  mm,其外量子效率从 23%衰减到 15%。而对LED侧壁进行化学处理后,其 10  mm器件的外量子效率获得了显著提升 (~23%)。此外,LED器件峰值电流密度也没有产生显著移动,呈现出尺寸依赖特性。

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图 4 mLED器件经表面处理后的外量子效率随尺寸的变化关系图

结论展望

Micro-LED显示是一种新型自发光显示技术,被认为是下一代主流显示技术的重要选择。本文从衬底外延、器件制备两个个方面,总结了Micro-LED显示目前存在的问题及研究现状。由于Micro- LED芯片远小于传统照明芯片,且其对器件良率、波长均匀性的苛刻要求,对衬底选择及外研技术提出新的挑战。此外,Micro-LED器件的发光效率随尺寸减小产生显著衰减。目前通过优化的表面处理与钝化工艺,可缓解 10mm 以上器件的效率衰减现象,但在 10mm 以下的区间,依然没有有效的途径来改善器件的发光效率。(文:张子旋)

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