文章轉(zhuǎn)載自：孜然學(xué)術(shù)

在目前眾多顯示技術(shù)中，Micro-LED顯示技術(shù)被認(rèn)為是具有顛覆性的次世代顯示技術(shù)，并得到學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。具有對(duì)比度高、響應(yīng)快、色域?qū)挕⒐牡图皦勖L(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足高級(jí)顯示應(yīng)用的個(gè)性化需求。然而目前在Micro-LED顯示商業(yè)化進(jìn)程中，依然存在一些技術(shù)瓶頸尚未解決。應(yīng)用于Micro-LED晶圓的外延技術(shù)需考慮襯底選擇、波長(zhǎng)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(zhuǎn)換媒介實(shí)現(xiàn)單片Micro-LED全彩顯示技術(shù)尚未成熟。

現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入信息化并向智能化方向發(fā)展，顯示是實(shí)現(xiàn)信息交換和智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在目前眾多顯示技術(shù)中，Micro-LED顯示技術(shù)被認(rèn)為是具有顛覆性的下一代顯示技術(shù)，。Micro-LED顯示具有自發(fā)光、 高效率、低功耗、高集成度、高穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)，且體積小、靈活性高、易于拆解與合并，能夠應(yīng)用于現(xiàn)有從小尺寸到大尺寸的任何顯示應(yīng)用場(chǎng)合中。且在很多應(yīng)用場(chǎng)景下，Micro-LED顯示比液晶顯示(LCD)和有機(jī)發(fā)光二極管顯示(OLED)能發(fā)揮出更優(yōu)異的顯示效果。盡管Micro-LED顯示技術(shù)正迅速發(fā)展，但由于LED從照明應(yīng)用向顯示應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，使其對(duì)LED外延及器件制備等方面提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。此外，由于巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)不夠成熟，目前大多數(shù)Micro-LED顯示只能實(shí)現(xiàn)單色顯示，且顯示面板小于2英寸(5.08 cm)。實(shí)現(xiàn)高ppi的Micro-LED全彩顯示仍需進(jìn)一步的深入研究和發(fā)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(dāng)前的研究現(xiàn)狀。

襯底材料

襯底材料的選擇以及外延技術(shù)對(duì)于Micro-LED器件的性能有著至關(guān)重要的影響。由于Micro-LED芯片 較傳統(tǒng)芯片微縮至小于50mm ，其極高的良率、均勻性要求對(duì)于襯底的選擇和外延技術(shù)提出了更高的要求與挑戰(zhàn)。應(yīng)用于高分辨顯示時(shí)，Micro-LED的注入電流密度非常低，由缺陷所導(dǎo)致的非輻射復(fù)合尤為突出，大大降低了Micro-LED的光輸出效率，因此對(duì)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(yōu)勢(shì)，可以對(duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用層面。目前，GaN基藍(lán)綠光LED的襯底材料主要包括藍(lán)寶石襯底、硅襯底和GaN襯底等。

波長(zhǎng)均勻性

在市場(chǎng)以及工藝成本驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)過程中的波長(zhǎng)均勻性控制越來越成為挑戰(zhàn)。優(yōu)化MOCVD外延生長(zhǎng)過程中氣流均勻性對(duì)LED波長(zhǎng)均勻性的提升起著至關(guān)重要的作用。其中8英寸(20.32cm)硅襯底LED波長(zhǎng)變化標(biāo)準(zhǔn)差為0.854nm，超過85%的區(qū)域發(fā)光峰波長(zhǎng)偏移小于2.5 nm。對(duì)應(yīng)的PL mapping與發(fā)光波長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)如圖1所示，發(fā)光峰波長(zhǎng)為465.7 nm。

圖 1 PL mapping 與發(fā)光波長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)圖

缺陷控制

GaN和AlN等緩沖插入層經(jīng)常被用于藍(lán)寶石襯底LED外延生長(zhǎng)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(zhǎng)提供成核中心，促進(jìn) GaN 的 三維島狀生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S橫向生長(zhǎng)，降低GaN的位錯(cuò)密度 ，如圖2所示納米圖形藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)模式。

圖 2 藍(lán)寶石納米襯底生長(zhǎng)模式示意圖

Micro-LED器件制備與效率衰減

而現(xiàn)有研究表明，mLED器件隨著尺寸減小，其外量子效率產(chǎn)生顯著衰減，且峰值效率向高電流密度方向移動(dòng)。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(duì)應(yīng)的電流密度 從 1 A/cm2 移動(dòng)到 30 A/cm2。而應(yīng)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(dòng)進(jìn)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(guān)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(guān)的非輻射復(fù)合導(dǎo)致的效率衰 減在小尺寸mLED (<10mm )中更為顯著。除此之外，針對(duì)表面非輻射復(fù)合，在mLED器件制備工藝中引入表面化學(xué)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(jīng)表面化學(xué)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(duì)LED側(cè)壁進(jìn)行化學(xué)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(chǎn)生顯著移動(dòng)，呈現(xiàn)出尺寸依賴特性。

圖 4mLED器件經(jīng)表面處理后的外量子效率隨尺寸的變化關(guān)系圖

結(jié)論展望

Micro-LED顯示是一種新型自發(fā)光顯示技術(shù)，被認(rèn)為是下一代主流顯示技術(shù)的重要選擇。本文從襯底外延、器件制備兩個(gè)個(gè)方面，總結(jié)了Micro-LED顯示目前存在的問題及研究現(xiàn)狀。由于Micro- LED芯片遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)照明芯片，且其對(duì)器件良率、波長(zhǎng)均勻性的苛刻要求，對(duì)襯底選擇及外研技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。此外，Micro-LED器件的發(fā)光效率隨尺寸減小產(chǎn)生顯著衰減。目前通過優(yōu)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(xiàn)象，但在 10mm 以下的區(qū)間，依然沒有有效的途徑來改善器件的發(fā)光效率。