导读

Micro-LED具有强亮度，高对比度，长工作寿命，良好的能量转换效率等技术优势。这使其成为下一代显示技术的有力竞争者，在近些年引发广泛关注。优化制造工艺以持续提升器件性能是当前 Micro-LED 研究的重点之一。

常规的Micro-LED工艺需要引入等离子刻蚀技术定义像素台面。在刻蚀过程中，台面侧壁受到等离子体轰击和紫外光子辐照，导致严重的表面损伤和缺陷，例如晶格畸变和杂质污染。这些缺陷充当电流泄露路径和非辐射复合中心，严重危害Micro-LED效率。随着器件尺寸的减小，等离子体损伤带来的不利影响愈加严重，使Micro-LED器件效率呈现显著的尺寸依赖性。

针对这一痛点，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）李晓航教授团队研发了一种名为选择性热氧化（STO）的 Micro-LED 像素定义技术，免除了传统像素定义必须的等离子体刻蚀工艺。

相关研究成果以“Etching-free pixel definition in InGaN green micro-LEDs”为题发表在Light: Science & Applications。

如图1所示，科研人员首先在LED外延片表面沉积SiO₂层并将其图形化。之后将芯片放置于管式炉中在900度空气环境下退火四个小时。在退火过程中，没有SiO₂覆盖的区域，LED结构将被氧化和破坏，失去原有发光功能。而覆盖有SiO₂的区域被有效保护, 成为被定义的Micro-LED像素。其原理为，SiO₂在此充当保护层，由于其致密的结构可有效阻挡空气中的氧元素扩散至LED内部。SiO₂的图形化实现了“选择性的”热氧化，也定义了最终Micro-LED像素的形状和尺寸。

图1：用于制作Micro-LED的选择性热氧化STO工艺流程。

图2演示了制作的绿色Micro-LED阵列的器件光学图片，发光光谱，以及透射电子显微镜（TEM）的表征结果等。从获得的TEM图像中可清晰的看到有无SiO₂保护下LED结构的不同。受SiO₂保护的区域保留了完整的量子阱结构，而未受保护区域中的p层和量子阱均被氧化和重塑。

图2：绿色Micro-LED阵列。（a）器件光学照片；（b）像素点发光示例；（c）随电流变化的Micro-LED发光光谱；（d-f）TEM 透射电子显微镜表征结果；（g）EDX 元素分布分析。

进一步的测试表明，由选择性热氧化技术制造的Micro-LED具有低漏电特性，在反向10 V的偏压下，所制作的10~50微米绿色Micro-LED漏电流密度仅为10^–7至10^-6 A/cm²，并具有较弱的尺寸依赖性。未封装的10微米Micro-LED器件测得片上6.48%的外量子效率。此外，为了使通过STO工艺制造的Micro-LED在未来应用于AR/VR等微显示应用，团队进一步验证了小至2.3微米的像素发光，如图3所示。以上这些结果表明选择性热氧化工艺有望成为一种无刻蚀损伤，高性能的，下一代Micro-LED制造技术，并为优化其他III族氮化物电子和光电器件性能提供了理论和实验参考。

图3：2.3微米Micro-LED的制造和像素发光

李晓航教授表示，他们的下一个计划是将选择性热氧化技术扩展应用到InGaN基蓝色和红色LED的制造。同时，他们正在将制造的像素转移到实际的显示面板上，进行进一步应用层面的验证。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01465-7