目前，基于GaN的Micro-LED微顯示技術已經(jīng)成為全球?qū)W術研究和產(chǎn)業(yè)開發(fā)的熱點，但由于材料晶體質(zhì)量限制以及芯片微縮化后側壁損傷所帶來的性能急劇衰減，現(xiàn)有的Micro-LED微顯示屏在亮度和均勻性方面難以達到實際應用的要求。同時，Micro-LED微顯示的規(guī)模應用要求對制程良率、器件可靠性、和生產(chǎn)成本嚴格控制，這使得大尺寸硅襯底GaN晶圓制程技術成為Micro-LED的最佳產(chǎn)業(yè)化路線。GaN基Micro-LED晶圓制程難度很大，面臨一系列的技術和工藝挑戰(zhàn)。

10月9日消息，針對以上Micro LED微顯示技術難題，湖南大學潘安練教授和李東教授團隊聯(lián)合諾視科技、晶能光電等合作者，成功開發(fā)了包括大尺寸高質(zhì)量硅基Micro LED外延片制備工藝、非對準鍵合集成技術和原子級側壁鈍化技術的IC級GaN基Micro LED晶圓制造技術，在硅襯底GaN外延片上實現(xiàn)了目前公開報道最高亮度的綠光Micro LED微顯模組。

相關研究結果以“Ultra-highbrightness Micro-LEDs with wafer-scale uniform GaN-on-siliconepilayers”為題在Light:Science & Applications上發(fā)表。

據(jù)悉，硅襯底GaN基Micro-LED外延片具有大尺寸、襯底易剝離、與CMOS工藝兼容等核心優(yōu)勢，被公認為Micro-LED微顯示技術的最佳產(chǎn)業(yè)化路線。圖1a展示了4英寸硅襯底GaN基Micro-LED外延片的實物照片和結構示意圖，研究團隊開發(fā)了一種“Ga原子表面活性劑輔助生長”方法，在1100℃中等溫度條件下生長高質(zhì)量AlN緩沖層，并制備出具有低位錯密度（~5.25×108cm-2）、低翹曲（16.7μm）和優(yōu)良波長均勻性（標準差0.939 nm）的綠光Micro-LED外延結構（如圖1b-1d）。該技術已成功拓展至6、8及12英寸硅襯底GaN晶圓。

圖1：（a）4英寸外延片實物圖及外延結構示意圖；（b）GaN（002）/（102）雙晶的HRXRD搖擺曲線；（c）和（d）分別為外延片翹曲度和光致發(fā)光主波長mapping圖

基于高質(zhì)量硅襯底GaN基綠光外延材料，研究團隊開發(fā)了一種Micro-LED側壁的濕法修復和粗化技術，利用堿性溶液對GaN材料極性面和非極性面的腐蝕速率存在各向異性的特點，成功去除了Micro-LED側壁刻蝕損傷，并結合原子級側壁鈍化，有效降低了側壁非輻射復合速率。該技術同時實現(xiàn)了出光面的深亞微米級粗化，有效提升了Micro-LED的光提取效率。如圖2所示結果表明，濕法修復和粗化技術實現(xiàn)了Micro-LED亮度的大幅提升。像素尺寸為5μm的Micro-LED微顯示陣列最高發(fā)光亮度可達1000萬尼特。

圖2：（a）側壁鈍化處理后的發(fā)光像素SEM圖；（b）Micro-LED器件亮度曲線圖；（c）晶圓級光刻像素后的實物圖（上），Micro-LED顯示屏點亮照片（下），插圖為30×30發(fā)光像素矩陣

研究團隊進一步開發(fā)了垂直非對準鍵合集成技術，成功構建了與硅基CMOS緊密集成的可獨立尋址的Micro-LED顯示芯片，0.39英寸顯示屏具有優(yōu)異的亮度均勻性，標準差僅為720Cd/m2(2.2%),像素密度高達3400PPI，實現(xiàn)了圖片和視頻的高清顯示。

圖3：（a）Micro-LED與CMOS驅(qū)動集成示意圖；（b）芯片像素單元FIB測試剖面圖；（c）0.39英寸顯示屏亮度均勻性mapping圖；（d）湖南大學logo照片高清顯示效果圖。

該研究工作基于高質(zhì)量的硅襯底GaN基Micro-LED外延材料，開發(fā)了包括濕法處理技術、原子級鈍化技術和垂直非對準鍵合技術的IC級Micro-LED晶圓制程，成功制備出超高亮度的Micro-LED微顯矩陣和與硅基CMOS集成的Micro-LED微顯示屏，為高亮度GaN基Micro-LED微顯示的規(guī)模化制造和應用提供了重要支撐。（來源：中國光學、Light:Science & Applications）