氮化鎵基Micro-LED顯示技術研究進展

文章轉載自：孜然學術

在目前眾多顯示技術中，Micro-LED顯示技術被認為是具有顛覆性的次世代顯示技術，并得到學術界與產業界的廣泛關注。具有對比度高、響應快、色域寬、功耗低及壽命長等優點，可以滿足高級顯示應用的個性化需求。然而目前在Micro-LED顯示商業化進程中，依然存在一些技術瓶頸尚未解決。應用于Micro-LED晶圓的外延技術需考慮襯底選擇、波長均勻性及缺陷控制等方面因素；Micro-LED器件的效率衰減問題目前依然沒有有效的解決途徑。此外利用顏色轉換媒介實現單片Micro-LED全彩顯示技術尚未成熟。

現代社會已經進入信息化并向智能化方向發展，顯示是實現信息交換和智能化的關鍵環節。在目前眾多顯示技術中，Micro-LED顯示技術被認為是具有顛覆性的下一代顯示技術，。Micro-LED顯示具有自發光、 高效率、低功耗、高集成度、高穩定性等諸多優點，且體積小、靈活性高、易于拆解與合并，能夠應用于現有從小尺寸到大尺寸的任何顯示應用場合中。且在很多應用場景下，Micro-LED顯示比液晶顯示(LCD)和有機發光二極管顯示(OLED)能發揮出更優異的顯示效果。盡管Micro-LED顯示技術正迅速發展，但由于LED從照明應用向顯示應用的轉變，使其對LED外延及器件制備等方面提出了更高的要求和挑戰。此外，由于巨量轉移技術不夠成熟，目前大多數Micro-LED顯示只能實現單色顯示，且顯示面板小于2英寸(5.08 cm)。實現高ppi的Micro-LED全彩顯示仍需進一步的深入研究和發展。因此本文綜述了目前Micro-LED顯示在晶圓外延、器件制備方面存在的問題以及當前的研究現狀。

襯底材料

襯底材料的選擇以及外延技術對于Micro-LED器件的性能有著至關重要的影響。由于Micro-LED芯片 較傳統芯片微縮至小于50mm ，其極高的良率、均勻性要求對于襯底的選擇和外延技術提出了更高的要求與挑戰。應用于高分辨顯示時，Micro-LED的注入電流密度非常低，由缺陷所導致的非輻射復合尤為突出，大大降低了Micro-LED的光輸出效率，因此對于Micro-LED則需要更低缺陷密度的外延片。不同晶體材料具有不同的優勢，可以對應于不同的應用層面。目前，GaN基藍綠光LED的襯底材料主要包括藍寶石襯底、硅襯底和GaN襯底等。

波長均勻性

在市場以及工藝成本驅動下，6英寸(15.24cm)及更大尺寸LED晶圓逐漸成為主流。隨著襯底尺寸的加大，外延生長過程中的波長均勻性控制越來越成為挑戰。優化MOCVD外延生長過程中氣流均勻性對LED波長均勻性的提升起著至關重要的作用。其中8英寸(20.32cm)硅襯底LED波長變化標準差為0.854nm，超過85%的區域發光峰波長偏移小于2.5 nm。對應的PL mapping與發光波長統計如圖1所示，發光峰波長為465.7 nm。

圖 1 PL mapping 與發光波長統計圖

缺陷控制

GaN和AlN等緩沖插入層經常被用于藍寶石襯底LED外延生長中，硅襯底LED制備過程中的緩沖層 通常有AlGaN/GaN，AlN/GaN超晶格等，緩沖層的插入可以為GaN生長提供成核中心，促進 GaN 的 三維島狀生長轉變為二維橫向生長，降低GaN的位錯密度 ，如圖2所示納米圖形藍寶石襯底生長模式。

圖 2 藍寶石納米襯底生長模式示意圖

Micro-LED器件制備與效率衰減

而現有研究表明，mLED器件隨著尺寸減小，其外量子效率產生顯著衰減，且峰值效率向高電流密度方向移動。如圖3 所示，mLED器件從 500 mm減小到 10 mm，其外量子效率從 10%衰減到 5%，此外峰值效率對應的電流密度 從 1 A/cm2 移動到 30 A/cm2。而應用于微顯示的mLED而言，其工作電流密度一般小于 5 A/cm2，因此峰值電流的移動進一步降低了mLED器件工作的效率 。

圖 3 mLED器件外量子效率隨尺寸的變化關系圖

隨著mLED尺寸減小，器件的Surface-Volume-ratio比值增加，因此表面相關的非輻射復合導致的效率衰 減在小尺寸mLED (<10mm )中更為顯著。除此之外，針對表面非輻射復合，在mLED器件制備工藝中引入表面化學處理與鈍化工藝，可有效提高器件量子效率。如圖 4所示，未經表面化學處理的LED器件，隨著尺寸從100mm減小到10mm，其外量子效率從23%衰減到15%。而對LED側壁進行化學處理后，其10mm器件的外量子效率獲得了顯著提升(~23%)。此外，LED器件峰值電流密度也沒有產生顯著移動，呈現出尺寸依賴特性。

圖 4mLED器件經表面處理后的外量子效率隨尺寸的變化關系圖

結論展望

Micro-LED顯示是一種新型自發光顯示技術，被認為是下一代主流顯示技術的重要選擇。本文從襯底外延、器件制備兩個個方面，總結了Micro-LED顯示目前存在的問題及研究現狀。由于Micro- LED芯片遠小于傳統照明芯片，且其對器件良率、波長均勻性的苛刻要求，對襯底選擇及外研技術提出新的挑戰。此外，Micro-LED器件的發光效率隨尺寸減小產生顯著衰減。目前通過優化的表面處理與鈍化工藝，可緩解 10mm 以上器件的效率衰減現象，但在 10mm 以下的區間，依然沒有有效的途徑來改善器件的發光效率。