Micro LED微显示芯片制备技术

陈佳昕,李梦梅,郭伟玲

(北京工业大学 光电子技术教育部重点实验室，北京 100020)

引言

LED作为发光器件，在生活中扮演着重要的角色。在照明领域，LED照明节约了大量能源。在显示领域，液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)和微发光二极管(Micro LED)等显示技术，为人们提供了优质的显示面板，尤其是近年来迅速发展的Micro LED显示技术，作为一种独特的显示器，可以应用于智能眼镜、AR/VR、头戴式显示器(HMDs)和抬头显示器(HUDs)等[1]领域，受到业界内的广泛关注。与传统的LCD和OLED相比，Micro LED具有低功耗、高亮度、响应时间短和使用寿命长等优点[2,3]。

Mirco LED微显示芯片制备技术是显示应用的基础，国内外有大量人员进行了Micro LED芯片制备技术的研究[4-9]。2012年，Guilhabert等[10]采用完全无掩膜工艺流程制备了99%填充因子、520 nm发射波长、32×32的Micro LED阵列，该阵列展示出良好的光学和电学性能，最大输出光功率2 mW，20 mA下输出电压为4.3 V。2017年，Xie等[11]采用共P电极，单独可寻址N电极的结构制备Micro LED阵列，使得该阵列与基于NMOS晶体管的驱动电路兼容，可以获得高达450 MHz的调制带宽。2019年，Chen等[12]制造了有源矩阵高分辨率960×540的Micro LED阵列，像素大小为8 μm，像素间距为12.8 μm，这是首次展示16∶9高分辨率的显示屏。同年，Geum等[13]采用垂直堆叠和表面钝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)作为键合介质去除颜色调制现象。

本文主要介绍基于Micro LED结构的微显示芯片制备中的关键技术，以及随着像素分辨率的提高，对芯片尺寸变小而产生的小型化效应。

1 Micro LED微显示芯片结构

1.1 倒装结构Micro LED

传统的Micro LED芯片是正装结构，用蓝宝石做衬底，上面覆盖环氧树脂。由于蓝宝石的导热性较差，量子阱有源区产生的热量不能及时的释放，而且蓝宝石衬底还会吸收从有源区发出的部分光线[14，15]。此外，环氧树脂的导热性也很差，因此，热量只能靠芯片的引脚散出，这些因素严重影响了器件的可靠性。鉴于此，出现了Micro LED的倒装结构。2011年， An等[16]制备了GaN基倒装结构Micro LED阵列，80×60的Micro LED的像素大小为35 μm，像素间距为50 μm，在倒装芯片组装的过程中，Micro LED芯片通过Au-Au键合的方式粘接在硅座上。2018年，HORHG等[17]制备了带有3.6 μm薄外延层和水平电极的倒装红光Micro LED，结构如图1所示，当注入电流为5 mA时，LED正向电压为1.8 V，输出功率1.9 mW，外量子效率达到19%，该结构证实了倒装结构具有发光区域大，散热好，无线键合等优点。2020年，林杰泓等[18]采用倒装芯片键合的方式进行设计，结构如图3所示,实现Micro LED显示屏的分辨率为640×360，像素间距为19.2 μm，发光点直径为10 μm，像素密度高达1 323。

图1 带有薄外延层和水平电极的倒装红光Micro LED结构

1.2 垂直结构Micro LED

Micro LED垂直结构是指两个电极在LED结构的异侧，以图形化电极和P型GaN作为第二电极，使得电流全部垂直流过外延层。2019年，Xu等[19]提出了一种制造高效垂直InGaN Micro LED的新方法，将氟离子注入到N型GaN中来创建高阻选择性区域，也称电隔离区域，制备了直径10 μm、像素25×25的Micro LED阵列，如图3所示。采用该结构的输出光功率密度在3.06 kA/cm2时为43 W/cm2,并且由于有效的离子诱导热弛豫和较低的结温，Micro LED阵列的发光性能得到大幅提高。2020年，Guo等[20]研究了垂直结构Micro LED在玻璃基板上的晶圆级集成，使用SU-8光刻胶作为垂直LED的绝缘体材料，如图4所示，从而提高光提取效率，并减少子像素间的光串扰，所制备的Micro LED尺寸为14 μm×28 μm，正向电压3 V时电流达到6 μA，且反向漏电流在-5 V时为30 pA，在玻璃上的单片集成技术将在未来的高性能和低成本的可穿戴设备或手机显示器中发挥重要作用。

图2 Micro LED芯片和CMOS芯片结构示意图

图3 垂直结构的InGaN Micro LED

图4 玻璃基板上垂直Micro LED结构和聚焦离子束图片

2 Micro LED芯片制备及优化

2.1 光电集成芯片制备技术

将Micro LED与场效应晶体管单片集成可以避免主动驱动的Micro LED由于巨量转移技术带来的良率下降等问题，并且具有低功耗、高速率、高可靠等突出优势[21]。2016年，Tsuchiyama等[22]通过晶片键合技术制备Si/SiO2/GaN结构，并在顶层P型Si上制备NMOS，通过金属铝将漏极与Micro LED的N电极相连，将Micro LED与MOSFET串联集成，如图5所示，该结构最大光响应频率可以达到10 MHz，当电压为3 V时，峰值外量子效率为6.7%。同年，香港科技大学刘纪美小组[23]将LED与垂直结构增强型MOSFET集成在一起,VMOSFET通过导电氮化镓与LED连接，不需要额外的金属互联，减小了寄生电阻，器件结构如图6所示，最终LED-VMOSFET的开启电压为2.8 V，当VDD为12 V，VGS=10 V时，光输出功率可以达到240 mW/cm2。

图5 Micro LED与NMOS的单片集成

图6 LED与VMOSFET的单片集成

2.2 芯片巨量转移技术

巨量转移是指通过某种高精度设备将大量Micro LED晶粒转移到目标基板或者电路上。巨量转移的难点在于如何将良率提升到99.999 9%，且每颗芯片的精准度必须控制在正负0.5 μm以内，这是商业化和量产的关键。

2018年，Cho等[24]提出一种高产量的流体自组装技术，如图7所示，通过简单的振动运动把衬底上低熔点的合金和芯片上低熔点的金属电极在热组装液中组合，组装液中加入了F108表面活性剂，对芯片上电极表面进行修饰，并且提高了熔融合金的润湿性，最后在1 min内实现19 663个(243行81列)直径为45 μm Micro LED的精准组装，产量达到99.90%。同年3月，Optovate[25]发布专利，其p-LLO工艺使用准分子激光在蓝宝石晶圆的生长界面处照亮稀疏分离的裸片大小的氮化镓区域。紫外线照射会产生镓金属和氮气，这些气体可控地将微型LED烧蚀到接收器工具或基板上。该工艺能够处理GaN晶片之间的变化，包括生长缺陷、颜色和正向电压。p-LLO的选择性光学寻址功能可将晶圆上的预转移特性数据编码为Micro LED提取因素，并用于播种和回填Micro LED背板，以优化量产。

2.3 芯片制备技术优化

2019年，郭伟玲等[26]在制备被动驱动Micro LED阵列的深隔离槽时，进行两步刻蚀来减小隔离槽的坡度，如图8所示，使P电极“爬升”更容易，易断裂的P金属线可靠性增加。此外，采用二次淀积的方法将SiO2淀积在N金属线上，作为P电极和N电极之间的隔离层。首先使用PECVD在300℃下淀积SiO2绝缘层，然后将芯片旋转一定角度，继续进行SiO2的淀积[27]，最终达到所需要的厚度，大大降低SiO2中针孔重叠的概率并提高绝缘层的密度。2020年,HUANG等[28]采用ALD(原子层沉积)对Micro LED制备过程中的钝化层进行淀积，相比于PECVD技术，制备的Micro LED在尺寸为50 μm，电压为-4 V时，漏电流降低7.8倍，非辐射复合降低9%。此外，为了最大限度地增加光输出，将P型和N型金属触点制备于台面区域外，结构如图9所示。

图7 流体自组装机构示意图

图8 被动驱动Micro LED截面图和俯视图

图9 采用ALD或PECVD作为钝化层Micro LED结构图

3 芯片小型化效应

Micro LED 芯片的尺寸小于100 μm时，其小型化效应对串联电阻、功率密度、光谱位移、结温、应力的影响很大。因此对芯片小型化效应的研究显得十分必要。2016年，Olivier等[29]以及2017年Gong等[30]研究均发现尺寸较小的Micro LED提供更高的电流密度和亮度，这种现象可以归因于更有效的电流扩展，和更优热管理的结构，此外，Olivier等[29]还发现不同Micro LED尺寸下电流密度和亮度随外加电压的变化，随着尺寸降低，P电极与P型GaN 接触面积减小，引起串联电阻增加，如图10所示。2011年，Ryu等[31]研究表明，电流拥挤强烈影响GaN基LED在高电流密度下的性能，因为电流主要集中在N型GaN层的台阶边缘，导致载流子分布不均匀。

2017年，Olivier等[32]研究了芯片小型化效应对辐射和非辐射复合的关系，并发现LED的尺寸对Shockley-Read-Hall Recombination影响很大，对俄歇复合几乎没有影响，研究表明随着尺寸的减小，最大外量子效率变小，如图11(a)所示，这是由于干法刻蚀导致的侧壁缺陷引起的非辐射复合，使得较小尺寸的Micro LED效率明显降低，但可以靠增加退火时间来修复缺陷，提高低电流密度下小尺寸设备的外量子效率。Konoplev等[33]发现尺寸越小，达到最大外量子效率的电流密度越大，如图11所示，并且在高电流密度下，小尺寸Micro LED的外量子效率更高，这主要是电流拥挤效应导致的，高电流密度下的小尺寸Micro LED中，有更好的电流分布，电流拥挤性很低，局部电流密度接近平均值。

图10 不同LED尺寸下电流密度和亮度变化

图11 外量子效率和尺寸关系

4 总结与展望

Micro LED的微显示芯片具有自发光、高效率、低功耗、长寿命、高稳定性等优点，已经在显示、光通信、室内定位、生物医疗领域获得了相关应用，并且有望进一步扩展到可穿戴、可植入器件、智能车灯、空间成像等多个领域。Micro LED微显示芯片制备技术已经十分成熟，但由于其外延材料技术、封装散热技术、集成驱动技术等较多的挑战，阻碍其商业化产品的出现和应用。但是随着技术不断创新，它有望突破量化生产技术，成为具有颠覆性和变革性的独特显示技术。