高性能硅基绿光Micro-LED微显示芯片研究取得突破性进展
高性能硅基绿光Micro-LED微显示芯片研究取得突破性进展
数字互联网技术的飞速发展，推动了显示技术不断转型升级，微型化和高度集成化成为智能显示技术发展的新趋势。近年来，随着虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等微型显示应用的兴起，移动互联网技术进入元宇宙时代，将对显示技术在能耗、亮度、可靠性、可穿戴等方面提出更高的要求，追求数字显示的实时、动态、自然、和谐。在此背景下，基于微型发光二极管（Micro-LED）的显示技术应运而生，填补了传统微显示技术在分辨率和亮度等关键指标上的短板，被公认为下一代微显示技术的重要发展方向。
作为最重要的直接带隙光电半导体，氮化镓（GaN）具有高光效、高功率、高击穿场强、高工作温度和高饱和电子漂移速率等优良光电特性，是Micro-LED微显示技术开发的关键材料平台。基于GaN的Micro-LED微显示技术已经成为全球学术研究和产业开发的热点，但由于材料晶体质量限制（特别是红绿波段）以及芯片微缩化后侧壁损伤所带来的性能急剧衰减难题，现有的Micro-LED微显示屏在亮度、像素密度和均匀性方面难以达到实际应用的要求。同时，Micro-LED微显示的规模应用要求对制程良率、器件可靠性、和生产成本严格控制。硅衬底GaN基Micro-LED外延片具有大尺寸、衬底易剥离、与CMOS工艺兼容等核心优势，被公认为Micro-LED微显示技术的最佳产业化路线。然而，GaN基Micro-LED晶圆制程难度很大，面临一系列的技术和工艺挑战，目前成功的案例尚鲜有报道。
针对以上难题，湖南大学潘安练教授和李东教授团队联合诺视科技、晶能光电等合作者，成功开发了高质量晶圆材料外延工艺、非对准键合集成技术和原子级侧壁钝化技术，实现了高性能硅衬底GaN基绿光Micro-LED微显示芯片的晶圆制造，实现了目前公开报道最高亮度的绿光Micro-LED微显模组。相关结果以“Ultra-high brightness Micro-LEDs with wafer-scale uniform GaN-on-silicon epilayers”为题在《Light: Science & Applications》上发表。
高质量硅基绿光Micro-LED外延材料
研究团队开发了一种“Ga原子表面活性剂辅助生长”方法，在1100℃中等温度条件下生长高质量AlN缓冲层，并制备出具有低位错密度（~5.25×108 cm-2）、低翘曲（16.7 μm）和优良波长均匀性（标准差0.939 nm）的绿光Micro-LED外延结构（如图1所示）。该技术已成功拓展至6/8英寸硅衬底GaN晶圆。
图 1. （a）4英寸外延片实物图及外延结构示意图；（b）GaN（002）/（102）双晶的HRXRD摇摆曲线；（c）和（d）分别为外延片翘曲度和光致发光主波长mapping图。
超高亮度Micro-LED器件
基于高质量硅衬底GaN基绿光外延材料，研究团队开发了一种Micro-LED侧壁的湿法修复和粗化技术，利用碱性溶液对GaN材料极性面和非极性面的腐蚀速率存在各向异性的特点，成功去除了Micro-LED侧壁刻蚀损伤，并结合原子级侧壁钝化，有效降低了侧壁非辐射复合速率。该技术同时实现了出光面的深亚微米级粗化，有效提升了Micro-LED的光提取效率。如图2所示结果表明，湿法修复和粗化技术实现了Micro-LED亮度的大幅提升。像素尺寸为5 μm的Micro-LED微显示阵列最高发光亮度可达107 Cd/m2。
图 2. （a）侧壁钝化处理后的发光像素SEM图；（b）Micro-LED器件亮度曲线图；（c）晶圆级光刻像素后的实物图（上），Micro-LED显示屏点亮照片（下），插图为30×30发光像素矩阵。
高分辨率、高均匀性Micro-LED微显示屏
研究团队进一步开发了垂直非对准键合集成技术，成功构建了与硅基CMOS紧密集成的可独立寻址的Micro-LED显示芯片。如图3所示，0.39英寸显示屏具有优异的亮度均匀性，标准差仅为720 Cd/m2(2.2%),像素密度高达3400 PPI，实现了图片和视频的高清显示。
图 3. （a）Micro-LED与CMOS驱动集成示意图；（b）芯片像素单元FIB测试剖面图；（c）0.39英寸显示屏亮度均匀性mapping图；（d）湖南大学logo照片高清显示效果图。
本工作基于高质量的硅衬底GaN基Micro-LED外延材料，开发了包括湿法处理技术、原子级钝化技术和垂直非对准键合技术的Micro-LED晶圆制程，成功制备出超高亮度的Micro-LED微显芯片，并实现了与硅基CMOS的高密度互联集成，为Micro-LED微显示芯片的规模化制造和应用提供了重要支撑。
本文原文发表于《Light: Science & Applications》，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01639-3