InGaN绿光micro-LED中的无蚀刻像素定义
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1. 概述
用于定义micro-LED像素的传统等离子体蚀刻工艺可能导致显著的侧壁损伤。侧壁区域附近的缺陷充当电流泄漏的非辐射复合中心和路径，显著恶化器件性能。这项研究展示了一种新的选择性热氧化（STO）方法，该方法允许在不经历等离子体损伤和随后的电介质钝化的情况下定义像素。环境空气中的热退火氧化并重塑了LED结构，如p层和InGaN/GaN多量子阱。同时，预沉积SiO2层下方的像素区域被选择性地且有效地保护。研究表明，延长热退火时间可以提高氧化物的绝缘性能，显著降低LED的漏电流。此外，应用更厚的SiO2保护层可以有效地降低器件电阻并提高器件效率。利用STO方法，制造并表征了像素尺寸为50µm、30µm和10µm的InGaN绿色微LED阵列。结果表明，4 h的空气退火，并具有3.5μm SiO2保护层，10μm像素阵列显示出泄漏电流密度为1.2 × 10−6 A/cm2当电压为−10V时，晶片外量子效率峰值约6.48%。
这项工作表明，STO方法可能成为未来微型LED制造的一种有效方法，以减轻等离子体蚀刻对LED效率尺寸的不利影响，并提高器件效率。通过STO方法制造的微型LED可以应用于微型显示器、可见光通信和基于光学互连的存储器。几乎平面的像素几何形状将为驱动电路与微型LED的单片集成提供更多的可能性。此外，STO方法不限于微型LED制造，并且可以扩展到设计其他III族氮化物器件，例如光电探测器、激光二极管、高电子迁移率晶体管和肖特基势垒二极管。
2. 样品制备
本研究采用蓝宝石基InGaN绿光LED晶片，如图1所示。这些晶片包括GaN缓冲层、n-GaN电子注入层、两对InGaN/GaN超晶格缓冲层（3/17 nm）、八对InGaN/GaN多量子阱（MQW）（4/15 nm），光致发光波长约551 nm，50 nm LT p-GaN，25 nm电子阻挡层，125 nm HT p-GaN和p接触层。图1b展示了STO工艺流程。最初，采用等离子体蚀刻工艺（BCl3、Cl2和Ar等离子体）来暴露n-GaN层，促进随后的n接触形成。值得注意的是，蚀刻过程不是为了像素定义，蚀刻区域远离像素，因此不会对像素造成损坏。然后使用等离子体增强化学气相沉积来沉积SiO2，并且通过干法蚀刻（C4F8和O2等离子体，其中Cr作为硬掩模）来图案化SiO2作为n-GaN和p接触层的表面上的保护层。p接触层上被SiO2覆盖的区域用作像素区域。在这项研究中，设计了50µm、30µm和10µm尺寸的微型LED像素，总发射面积保持不变（0.0177 mm2）。
随后，在管式炉中在环境空气中对LED晶片进行退火，选择性地氧化未被SiO2保护的区域的部分。同时，SiO2的致密结构阻挡了氧气从空气中的渗透，从而保护了下面的LED结构。类似于硅的热氧化过程，SiO2表面层起到阻挡氧扩散的作用，保护下面的硅免受额外的氧化。这也是本工作中提到的所谓STO步骤。
图1 InGaN绿光micro-LED器件制造方法：a基于InGaN的绿光LED晶片结构；b使用选择性热氧化（STO）制造的微型LED阵列的制造工艺流程。LED表面的SEM图像：c未经热氧化的参考样品；d未经SiO2保护的4小时热氧化；e经3.5µm SiO2保护的8小时热氧化和HF蒸汽去除SiO2
图2 绿光micro-LED阵列演示：a具有10µm、30µm和50µm像素的微型LED阵列的光学图像；b具有ITO透明触点的10µm像素显示器原理图的器件光学图像和发光图像；c各种电流下的发射光谱（插图是STO工艺的一些顶级发射器件，具有10µm、30µm和50µm像素）；d经过4h退火的氧化物/LED界面处的横截面TEM图像；e在SiO2保护下的LED MQW结构的放大TEM图像；f没有SiO2保护的氧化材料的放大TEM图像。g EDX元素（Si和O）分布
3. 结论
该研究已经证明了使用STO方法在没有等离子体损伤和电介质钝化的情况下对微型LED进行像素定义。SiO2厚度和退火时间被认为是在氧化和未氧化区域之间实现优异选择性的关键因素。氧化区域表现出令人满意的氧化物绝缘性能，而未氧化区域保持其原始结构和功能，抵抗热氧化的影响。这种高对比度对于通过STO实现高性能和小型micro-LED至关重要。通过一系列研究，使用STO方法实现了片上外量子效率（EQE）为6.48%的10µm像素绿光micro-LED阵列。值得注意的是，漏电流密度仅略微依赖于尺寸，并被高度抑制到1.2 × 10−6A/cm2 当10 µm像素阵列的电压为 −10V时。此外，有限的横向氧扩散（约300 nm）在4 h退火为进一步减小微型LED尺寸提供了前景。
此外，本研究中制作微型LED阵列的主要目的是测量像素的平均性能。相同的方法可以直接应用于单个micro-LED的制造。通过STO方法制造的单个微型LED可以通过随后的质量转移过程（如印模转移和激光诱导的正向转移）应用于显示目的。虽然迫切需要进一步的工艺优化和对所涉及机制的更深入理解，以提高STO制造的micro-LED效率，但这项研究将为未来在没有离子和等离子体损伤的情况下制造micro-LED提供有价值的指导。所涉及的物理机制和器件制造方法也有望在未来扩展到其他III族氮化物电子和光电子器件。
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参考文献：
Liu Z , Lu Y , Cao H ,et al.Etching-free pixel definition in InGaN green micro-LEDs[J].Light: Science & Applications[2025-06-04].DOI:10.1038/s41377-024-01465-7.