高分辨率主动驱动型氮化镓基Micro LED芯片的制备

Micro-LED（micro light emitting diode）是将传统LED薄膜化、微缩化后加工而成的发光器件，一般定义为台面尺寸在50 μm以下并剥离掉衬底的LED。其相较于目前市场中主流的OLED技术、LCD技术，不仅具有功耗更低、寿命更长、响应速度更快、亮度更高的优点，而且尺寸可以做到极小，实现在近眼观看场景下的细腻视觉效果。Micro-LED不仅可以助力AR/VR、HUD等新型产业发展，而且可以带来更为优良的观看体验，有望成为下一代主流技术。

基于第三代半导体材料氮化镓的Micro-LED技术自问世以来便吸引许多研究团队与机构投入研究。目前，针对Micro-LED的发光效率提升、侧壁出光利用等方面有不少进展，但产业界更关注的具体制备工艺优化却较少被报导。

近日，福州大学、闽都创新实验室的俄罗斯自然科学院外籍院士郭太良教授和俄罗斯工程院外籍院士严群教授团队的孙捷教授等人在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，中文核心期刊）2022年第12期发表了题为“高分辨率主动驱动型氮化镓基Micro-LED芯片的制备”的研究文章，并被选作当期封面文章。

该文章介绍了一款像素周期为8 μm、分辨率为1920×1080的氮化镓基Micro-LED芯片的设计与制备，其中在工艺上通过垫高N型电极解决了传统倒装芯片中P型电极和N型电极不等高的问题，通过单次刻蚀完成电流扩展层和台面的图案化从而形成自对准，通过HMDS表面预处理提高了大数量级的小尺寸台面刻蚀的一致性和完整性。在完成制备后对芯片进行的测试结果表明芯片均可正常点亮，且开启电压约3.5 V，均匀性和重复性都比工艺优化前有本质上的提高。

图1：《液晶与显示》2022年第12期封面图

1. 引言

近年来，Micro-LED技术得到许多团队的关注与研究。自2000年制成Micro-LED以来，制备而成的显示器件分辨率便不断在提高。2004年，Jeon等人制备出分辨率为64×64的显示器件，像素直径为20μm，2014年Chong等人制得的器件分辨率为256×192，2019年Chen等人制的显示器件分辨率达960×540,像素直径为8微米。这些文章对Micro-LED做了许多测试与表征，但产业界关注的具体制备工艺优化却较少提及。本文从结构调整与工艺优化入手展示了一款分辨率为1920×1080的Micro-LED芯片的制备。

文章采用在蓝宝石衬底上外延而成的蓝色LED晶圆作为实验材料，主要结构包括730 nm的P型氮化镓，9对量子阱，2 μm的N型氮化镓和1.8 μm的U型氮化镓。

2. 实验方案  

图2：制备过程示意图

整体芯片采用共阴极结构，芯片中央仅留下台面结构和沟道，将公共阴极集成“移位”至芯片四周，从而减少阴极占用面积，提高单位像素密度。

第一步，如图2中的（a）到（d）所示，利用磁控溅射在晶圆上沉积75 nm的ITO后进行退火处理以提高其电流扩展能力。随后采用正性光刻胶作为刻蚀掩膜，利用单次ICP刻蚀完成ITO图案化和台面刻蚀，刻蚀深度至N型氮化镓层，但不刻透，这样一来可以使得所有台面通过N型氮化镓形成共阴极结构。

第二步，如图2中的（e）到（h），采用PECVD分三步多次沉积SiO₂，分步多次沉积可以有效减少SiO₂膜层中的针孔状缺陷数量。SiO₂作为保护层可以避免水蒸气、灰尘等可能导致发光区域短路的杂质落入沟道。然后用正性光刻胶作为刻蚀掩膜，利用ICP刻蚀去除台面上的部分SiO₂，暴露出台面，方便后续在台面上制备电极。

最后，如图2（i）到（k）所示，采用负性光刻胶作为刻蚀掩膜，采用电子束蒸镀制备金属电极。考虑到成本和金属附着力问题，采用铬/铝/钛/铂/金的组合来制备金属电极，其中金为主要成分，以保证良好的电气性能。在完成金属蒸镀和剥离后还进行了合金化处理，从而使金属电极和台面有更好的附着力并降低电阻。制得的Micro-LED芯片的最终结构如图2（l）所示。

3. 结果与讨论  

1）小尺寸的ITO图案化

作为电流扩展层的ITO质量关系到芯片电流扩展能力。文章发现湿法腐蚀仅适用于大尺寸的ITO图案化中，当ITO尺寸为20μm或更小时，湿法腐蚀中横向腐蚀所带来的影响变得十分严重。

图3：（a）湿法腐蚀后的ITO（已完成台面刻蚀）；（b）干法腐蚀后的ITO（已完成台面刻蚀）

图3（a）为完成ITO湿法腐蚀和台面刻蚀的照片。可以看出，由于湿法腐蚀的各向同性，原本应该覆盖台面的ITO已经被横向腐蚀至仅剩中央十分小的区域，完全无法作为电流扩展层发挥应有的功能。为了避免这一问题，文章采用各向异性更好的ICP干法刻蚀来完成ITO的图案化，并立刻接续完成台面刻蚀。

2）小尺寸的台面刻蚀

台面刻蚀是定义发光单元的关键步骤，直接决定了最终芯片的发光区域。文章发现在大数量级下小尺寸的台面刻蚀出现了移位甚至缺失的现象，如图4（a）。

图4：（a）无HMDS处理的台面刻蚀结果；（b）有HMDS处理的台面刻蚀结果

在大尺寸的台面刻蚀中并没有出现这一现象，文章推测是作为刻蚀掩膜的小尺寸光刻胶与基底附着力不够而出现了移位、缺失的问题，进而导致了刻蚀后台面的移位和缺失。因此，在涂覆光刻胶前对基底做了HMDS处理，用以提高光刻胶在基底上的附着力。

在HMDS处理后这一问题得到了明显地改善，刻蚀后结果如图4（b）所示，并未出现任何台面移位、缺失的现象，台面完整性良好。图4（b）中的插图为SEM拍摄的台面，进一步证明了台面的一致性良好。

3）结构优化

文章通过在芯片四周预留了一个台阶结构来垫高N型电极，N型电极从台阶下的N型氮化镓“爬升”到台阶上，使N型电极与P型电极保持等高。台阶结构是在台面刻蚀步骤中同步完成的，这使得金属电极的起始高度是一样的，并且为了保证最终高度的一致，P型电极和N型电极的制备也是在同一步光刻和金属蒸镀中完成的。单次同步完成P型电极和N型电极的制备不仅保证了金属电极的厚度一致，而且实现了P型电极和N型电极的相对自对准，避免了传统设计中两种电极分开制备所带来的套刻误差。图5和图6分别是台面处和公共阴极处的剖面图，可以看出，PN电极相对于N型氮化镓的高度是基本一致的。

图5：台面处剖面图

图6：公共阴极台阶处剖面图

图7展示了最终Micro-LED芯片成品。在芯片的下方是我们留有的相同结构的测试模块，以便后续进行简单的测试。如图8所示，首先我们使用探针在芯片多处不同位置点测来验证该芯片的点亮可行性和是否存在大面积短路的问题，可以看出探针点测都实现了正常的点亮，并未出现短路的情况。

论文信息  

黄铭水，聂君扬，刘明洋，李洋，潘魁，邓俐颖，杨天溪，黄忠航，孙捷，严群，郭太良. 高分辨率主动驱动型氮化镓基Micro-LED芯片的制备[J]. 液晶与显示, 2022, 37(12):1553-1560.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0276

通讯作者介绍  

孙捷，博士，福州大学教授，博士研究生导师，2007年于中国科学院半导体研究所获得博士学位，主要从事氮化镓Micro-LED集成信息显示、二维半导体材料生长及其在纳米电子学中应用的研究。

E-mail: jie.sun@fzu.edu.cn