陳佳昕,李夢梅,郭偉玲

(北京工業(yè)大學 光電子技術教育部重點實驗室，北京 100020)

引言

LED作為發(fā)光器件，在生活中扮演著重要的角色。在照明領域，LED照明節(jié)約了大量能源。在顯示領域，液晶顯示器(LCD)、有機發(fā)光二極管(OLED)和微發(fā)光二極管(Micro LED)等顯示技術，為人們提供了優(yōu)質的顯示面板，尤其是近年來迅速發(fā)展的Micro LED顯示技術，作為一種獨特的顯示器，可以應用于智能眼鏡、AR/VR、頭戴式顯示器(HMDs)和抬頭顯示器(HUDs)等[1]領域，受到業(yè)界內的廣泛關注。與傳統的LCD和OLED相比，Micro LED具有低功耗、高亮度、響應時間短和使用壽命長等優(yōu)點[2,3]。

Mirco LED微顯示芯片制備技術是顯示應用的基礎，國內外有大量人員進行了Micro LED芯片制備技術的研究[4-9]。2012年，Guilhabert等[10]采用完全無掩膜工藝流程制備了99%填充因子、520 nm發(fā)射波長、32×32的Micro LED陣列，該陣列展示出良好的光學和電學性能，最大輸出光功率2 mW，20 mA下輸出電壓為4.3 V。2017年，Xie等[11]采用共P電極，單獨可尋址N電極的結構制備Micro LED陣列，使得該陣列與基于NMOS晶體管的驅動電路兼容，可以獲得高達450 MHz的調制帶寬。2019年，Chen等[12]制造了有源矩陣高分辨率960×540的Micro LED陣列，像素大小為8 μm，像素間距為12.8 μm，這是首次展示16∶9高分辨率的顯示屏。同年，Geum等[13]采用垂直堆疊和表面鈍化的方法制造出超高分辨率Micro LED，利用分布式布拉格反射器(DBRs)作為鍵合介質去除顏色調制現象。

本文主要介紹基于Micro LED結構的微顯示芯片制備中的關鍵技術，以及隨著像素分辨率的提高，對芯片尺寸變小而產生的小型化效應。

1 Micro LED微顯示芯片結構

1.1 倒裝結構Micro LED

傳統的Micro LED芯片是正裝結構，用藍寶石做襯底，上面覆蓋環(huán)氧樹脂。由于藍寶石的導熱性較差，量子阱有源區(qū)產生的熱量不能及時的釋放，而且藍寶石襯底還會吸收從有源區(qū)發(fā)出的部分光線[14，15]。此外，環(huán)氧樹脂的導熱性也很差，因此，熱量只能靠芯片的引腳散出，這些因素嚴重影響了器件的可靠性。鑒于此，出現了Micro LED的倒裝結構。2011年， An等[16]制備了GaN基倒裝結構Micro LED陣列，80×60的Micro LED的像素大小為35 μm，像素間距為50 μm，在倒裝芯片組裝的過程中，Micro LED芯片通過Au-Au鍵合的方式粘接在硅座上。2018年，HORHG等[17]制備了帶有3.6 μm薄外延層和水平電極的倒裝紅光Micro LED，結構如圖1所示，當注入電流為5 mA時，LED正向電壓為1.8 V，輸出功率1.9 mW，外量子效率達到19%，該結構證實了倒裝結構具有發(fā)光區(qū)域大，散熱好，無線鍵合等優(yōu)點。2020年，林杰泓等[18]采用倒裝芯片鍵合的方式進行設計，結構如圖3所示,實現Micro LED顯示屏的分辨率為640×360，像素間距為19.2 μm，發(fā)光點直徑為10 μm，像素密度高達1 323。

圖1 帶有薄外延層和水平電極的倒裝紅光Micro LED結構

1.2 垂直結構Micro LED

Micro LED垂直結構是指兩個電極在LED結構的異側，以圖形化電極和P型GaN作為第二電極，使得電流全部垂直流過外延層。2019年，Xu等[19]提出了一種制造高效垂直InGaN Micro LED的新方法，將氟離子注入到N型GaN中來創(chuàng)建高阻選擇性區(qū)域，也稱電隔離區(qū)域，制備了直徑10 μm、像素25×25的Micro LED陣列，如圖3所示。采用該結構的輸出光功率密度在3.06 kA/cm2時為43 W/cm2,并且由于有效的離子誘導熱弛豫和較低的結溫，Micro LED陣列的發(fā)光性能得到大幅提高。2020年，Guo等[20]研究了垂直結構Micro LED在玻璃基板上的晶圓級集成，使用SU-8光刻膠作為垂直LED的絕緣體材料，如圖4所示，從而提高光提取效率，并減少子像素間的光串擾，所制備的Micro LED尺寸為14 μm×28 μm，正向電壓3 V時電流達到6 μA，且反向漏電流在-5 V時為30 pA，在玻璃上的單片集成技術將在未來的高性能和低成本的可穿戴設備或手機顯示器中發(fā)揮重要作用。

圖2 Micro LED芯片和CMOS芯片結構示意圖

圖3 垂直結構的InGaN Micro LED

圖4 玻璃基板上垂直Micro LED結構和聚焦離子束圖片

2 Micro LED芯片制備及優(yōu)化

2.1 光電集成芯片制備技術

將Micro LED與場效應晶體管單片集成可以避免主動驅動的Micro LED由于巨量轉移技術帶來的良率下降等問題，并且具有低功耗、高速率、高可靠等突出優(yōu)勢[21]。2016年，Tsuchiyama等[22]通過晶片鍵合技術制備Si/SiO2/GaN結構，并在頂層P型Si上制備NMOS，通過金屬鋁將漏極與Micro LED的N電極相連，將Micro LED與MOSFET串聯集成，如圖5所示，該結構最大光響應頻率可以達到10 MHz，當電壓為3 V時，峰值外量子效率為6.7%。同年，香港科技大學劉紀美小組[23]將LED與垂直結構增強型MOSFET集成在一起,VMOSFET通過導電氮化鎵與LED連接，不需要額外的金屬互聯，減小了寄生電阻，器件結構如圖6所示，最終LED-VMOSFET的開啟電壓為2.8 V，當VDD為12 V，VGS=10 V時，光輸出功率可以達到240 mW/cm2。

圖5 Micro LED與NMOS的單片集成

圖6 LED與VMOSFET的單片集成

2.2 芯片巨量轉移技術

巨量轉移是指通過某種高精度設備將大量Micro LED晶粒轉移到目標基板或者電路上。巨量轉移的難點在于如何將良率提升到99.999 9%，且每顆芯片的精準度必須控制在正負0.5 μm以內，這是商業(yè)化和量產的關鍵。

2018年，Cho等[24]提出一種高產量的流體自組裝技術，如圖7所示，通過簡單的振動運動把襯底上低熔點的合金和芯片上低熔點的金屬電極在熱組裝液中組合，組裝液中加入了F108表面活性劑，對芯片上電極表面進行修飾，并且提高了熔融合金的潤濕性，最后在1 min內實現19 663個(243行81列)直徑為45 μm Micro LED的精準組裝，產量達到99.90%。同年3月，Optovate[25]發(fā)布專利，其p-LLO工藝使用準分子激光在藍寶石晶圓的生長界面處照亮稀疏分離的裸片大小的氮化鎵區(qū)域。紫外線照射會產生鎵金屬和氮氣，這些氣體可控地將微型LED燒蝕到接收器工具或基板上。該工藝能夠處理GaN晶片之間的變化，包括生長缺陷、顏色和正向電壓。p-LLO的選擇性光學尋址功能可將晶圓上的預轉移特性數據編碼為Micro LED提取因素，并用于播種和回填Micro LED背板，以優(yōu)化量產。

2.3 芯片制備技術優(yōu)化

2019年，郭偉玲等[26]在制備被動驅動Micro LED陣列的深隔離槽時，進行兩步刻蝕來減小隔離槽的坡度，如圖8所示，使P電極“爬升”更容易，易斷裂的P金屬線可靠性增加。此外，采用二次淀積的方法將SiO2淀積在N金屬線上，作為P電極和N電極之間的隔離層。首先使用PECVD在300℃下淀積SiO2絕緣層，然后將芯片旋轉一定角度，繼續(xù)進行SiO2的淀積[27]，最終達到所需要的厚度，大大降低SiO2中針孔重疊的概率并提高絕緣層的密度。2020年,HUANG等[28]采用ALD(原子層沉積)對Micro LED制備過程中的鈍化層進行淀積，相比于PECVD技術，制備的Micro LED在尺寸為50 μm，電壓為-4 V時，漏電流降低7.8倍，非輻射復合降低9%。此外，為了最大限度地增加光輸出，將P型和N型金屬觸點制備于臺面區(qū)域外，結構如圖9所示。

圖7 流體自組裝機構示意圖

圖8 被動驅動Micro LED截面圖和俯視圖

圖9 采用ALD或PECVD作為鈍化層Micro LED結構圖

3 芯片小型化效應

Micro LED 芯片的尺寸小于100 μm時，其小型化效應對串聯電阻、功率密度、光譜位移、結溫、應力的影響很大。因此對芯片小型化效應的研究顯得十分必要。2016年，Olivier等[29]以及2017年Gong等[30]研究均發(fā)現尺寸較小的Micro LED提供更高的電流密度和亮度，這種現象可以歸因于更有效的電流擴展，和更優(yōu)熱管理的結構，此外，Olivier等[29]還發(fā)現不同Micro LED尺寸下電流密度和亮度隨外加電壓的變化，隨著尺寸降低，P電極與P型GaN 接觸面積減小，引起串聯電阻增加，如圖10所示。2011年，Ryu等[31]研究表明，電流擁擠強烈影響GaN基LED在高電流密度下的性能，因為電流主要集中在N型GaN層的臺階邊緣，導致載流子分布不均勻。

2017年，Olivier等[32]研究了芯片小型化效應對輻射和非輻射復合的關系，并發(fā)現LED的尺寸對Shockley-Read-Hall Recombination影響很大，對俄歇復合幾乎沒有影響，研究表明隨著尺寸的減小，最大外量子效率變小，如圖11(a)所示，這是由于干法刻蝕導致的側壁缺陷引起的非輻射復合，使得較小尺寸的Micro LED效率明顯降低，但可以靠增加退火時間來修復缺陷，提高低電流密度下小尺寸設備的外量子效率。Konoplev等[33]發(fā)現尺寸越小，達到最大外量子效率的電流密度越大，如圖11所示，并且在高電流密度下，小尺寸Micro LED的外量子效率更高，這主要是電流擁擠效應導致的，高電流密度下的小尺寸Micro LED中，有更好的電流分布，電流擁擠性很低，局部電流密度接近平均值。

圖10 不同LED尺寸下電流密度和亮度變化

圖11 外量子效率和尺寸關系

4 總結與展望

Micro LED的微顯示芯片具有自發(fā)光、高效率、低功耗、長壽命、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，已經在顯示、光通信、室內定位、生物醫(yī)療領域獲得了相關應用，并且有望進一步擴展到可穿戴、可植入器件、智能車燈、空間成像等多個領域。Micro LED微顯示芯片制備技術已經十分成熟，但由于其外延材料技術、封裝散熱技術、集成驅動技術等較多的挑戰(zhàn)，阻礙其商業(yè)化產品的出現和應用。但是隨著技術不斷創(chuàng)新，它有望突破量化生產技術，成為具有顛覆性和變革性的獨特顯示技術。