Micro-LED具有强亮度,高对比度,长工作寿命,良好的能量转换效率等技术优势。这使其成为下一代显示技术的有力竞争者,在近些年引发广泛关注。优化制造工艺以持续提升器件性能是当前 Micro-LED 研究的重点之一。
常规的Micro-LED工艺需要引入等离子刻蚀技术定义像素台面。在刻蚀过程中,台面侧壁受到等离子体轰击和紫外光子辐照,导致严重的表面损伤和缺陷,例如晶格畸变和杂质污染。这些缺陷充当电流泄露路径和非辐射复合中心,严重危害Micro-LED效率。随着器件尺寸的减小,等离子体损伤带来的不利影响愈加严重,使Micro-LED器件效率呈现显著的尺寸依赖性。
针对这一痛点,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)李晓航教授团队研发了一种名为选择性热氧化(STO)的 Micro-LED 像素定义技术,免除了传统像素定义必须的等离子体刻蚀工艺。
相关研究成果以“Etching-free pixel definition in InGaN green micro-LEDs”为题发表在Light: Science & Applications。
如图1所示,科研人员首先在LED外延片表面沉积SiO2层并将其图形化。之后将芯片放置于管式炉中在900度空气环境下退火四个小时。在退火过程中,没有SiO2覆盖的区域,LED结构将被氧化和破坏,失去原有发光功能。而覆盖有SiO2的区域被有效保护, 成为被定义的Micro-LED像素。其原理为,SiO2在此充当保护层,由于其致密的结构可有效阻挡空气中的氧元素扩散至LED内部。SiO2的图形化实现了“选择性的”热氧化,也定义了最终Micro-LED像素的形状和尺寸。
图1:用于制作Micro-LED的选择性热氧化STO工艺流程。
图2演示了制作的绿色Micro-LED阵列的器件光学图片,发光光谱,以及透射电子显微镜(TEM)的表征结果等。从获得的TEM图像中可清晰的看到有无SiO2保护下LED结构的不同。受SiO2保护的区域保留了完整的量子阱结构,而未受保护区域中的p层和量子阱均被氧化和重塑。
图2:绿色Micro-LED阵列。(a)器件光学照片;(b)像素点发光示例;(c)随电流变化的Micro-LED发光光谱;(d-f)TEM 透射电子显微镜表征结果;(g)EDX 元素分布分析。
进一步的测试表明,由选择性热氧化技术制造的Micro-LED具有低漏电特性,在反向10 V的偏压下,所制作的10~50微米绿色Micro-LED漏电流密度仅为10–7 至10-6 A/cm²,并具有较弱的尺寸依赖性。未封装的10微米Micro-LED器件测得片上6.48% 的外量子效率。此外,为了使通过STO工艺制造的Micro-LED在未来应用于AR/VR等微显示应用,团队进一步验证了小至2.3微米的像素发光,如图3所示。以上这些结果表明选择性热氧化工艺有望成为一种无刻蚀损伤,高性能的,下一代Micro-LED制造技术,并为优化其他III族氮化物电子和光电器件性能提供了理论和实验参考。
图3:2.3微米Micro-LED的制造和像素发光
李晓航教授表示,他们的下一个计划是将选择性热氧化技术扩展应用到InGaN基蓝色和红色LED的制造。同时,他们正在将制造的像素转移到实际的显示面板上,进行进一步应用层面的验证。
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