基于離子注入制備的InGaN橫向Micro-LED陣列

譚 毅， 莊永漳， 盧子元， 張曉東， 趙德勝， 蔡 勇， 曾中明， 張寶順*

(1． 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 納米技術(shù)與納米仿生學(xué)院， 安徽 合肥 230026；2. 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 多功能材料與輕巧系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 蘇州 215123)

1 引 言

微型發(fā)光二極管(Micro-LED)憑借其低延時(shí)、低功耗、高自發(fā)光效率和寬工作溫度范圍等特性被認(rèn)為是十分具有潛力的顯示器件，在新型微顯示[1-4]、AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))/VR(虛擬現(xiàn)實(shí))[5]、光通信[6]、固態(tài)照明[7]和軍事航天[8]等各個(gè)領(lǐng)域都有著極其重要的應(yīng)用。常規(guī)的LED尺寸均大于50 μm，而微型發(fā)光二極管具有更小的像素尺寸，這有助于提高采用微型發(fā)光二極管集成的顯示器的分辨率和清晰度。然而，像素尺寸的微縮存在著一些問題[9-10]，比如尺寸效應(yīng)[11-12]、像素間的光學(xué)串?dāng)_[13]以及像素的光均勻性等。眾所周知，當(dāng)發(fā)光二極管的尺寸從數(shù)百微米微縮至數(shù)十微米、乃至十微米及其以下時(shí)，輻射復(fù)合在載流子復(fù)合中的占比大大降低，外量子效率快速下降，最終無法獲得良好的發(fā)光效果。原因在于常規(guī)干法蝕刻需要在起輝時(shí)產(chǎn)生氯基等離子體，然后加速等離子體使其高速轟擊GaN基LED外延片并與之反應(yīng)以達(dá)到蝕刻的目的。在這個(gè)過程中，等離子體對LED外延片表面的物理轟擊會造成微型發(fā)光二極管側(cè)壁表面數(shù)十納米深度范圍內(nèi)大量的晶格損傷，同時(shí)在起輝時(shí)會產(chǎn)生紫外光，使得在側(cè)壁上發(fā)生光子誘導(dǎo)從而引入更多的缺陷；并且隨著像素尺寸的減小，像素單位面積的側(cè)壁損傷與缺陷數(shù)量會越來越高，這將潛在影響器件的壽命和可靠性[14-15]。因此，需要一種新的工藝制備方案來提高M(jìn)icro-LED器件的性能。

在現(xiàn)有的制備手段當(dāng)中，離子注入是一種常用的隔離工藝，具有大尺寸、重復(fù)性高、均勻性好和易于控制等適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，常用于氮化鎵基高遷移率晶體管[16]。也有研究人員將該方法用于垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED陣列的制備[17]，但暫沒有采用離子注入的新穎方法進(jìn)行橫向結(jié)構(gòu)超小尺寸Micro-LED陣列的制備研究。因而我們選擇在LED外延片上通過引入特定區(qū)域的高阻態(tài)以隔離出所需要的器件工作區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)基于離子注入隔離的微型發(fā)光二極管的制備。同時(shí)，常規(guī)ICP干法蝕刻制備的微型發(fā)光二極管陣列，其像素陣列具有明顯的側(cè)壁和溝槽結(jié)構(gòu)[18]，不利于器件的后續(xù)結(jié)構(gòu)制備及封裝集成等。與離子注入工藝相比，這種干法蝕刻工藝與傳統(tǒng)的平面硅工藝的兼容性更差，且離子注入獲得的平滑表面還有著提升光輸出的潛力[19]。因此，本文采用離子注入工藝在InGaN/GaN量子阱LED結(jié)構(gòu)的頂層p-GaN中引入可實(shí)現(xiàn)有效電學(xué)隔離的高阻態(tài)區(qū)域，完成了像素周期為20 μm且像素排布為25×25的Micro-LED芯片陣列的制備。需要說明的是，用于顯示領(lǐng)域的常規(guī)Micro-LED陣列都是采用倒裝結(jié)構(gòu)，而本文研究的是正裝結(jié)構(gòu)的Micro-LED陣列，這將為后續(xù)研究基于離子注入工藝的倒裝結(jié)構(gòu)Micro-LED微顯示陣列奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制備

本文中Micro-LED器件結(jié)構(gòu)是基于工作波長為455 nm的商用藍(lán)光LED外延片，其中頂層p-GaN厚度為115 nm，多量子阱(MQW)為9個(gè)InGaN/GaN量子阱(厚度為117 nm)，MQW以下是n-GaN(厚度達(dá)數(shù)微米)和藍(lán)寶石襯底。采用該LED外延片，基于不同氟離子注入能量分別同時(shí)制備了4，6，8，10 μm四種發(fā)光孔徑的Micro-LED器件陣列，器件陣列示意結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，唯一不同的是實(shí)際像素陣列中包含的是間距為20 μm的25×25個(gè)具有相同發(fā)光孔徑的像素。Micro-LED器件陣列具體制備工藝流程如下：首先采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕LED外延片至n-GaN層以形成臺面結(jié)構(gòu)并露出需要制備n電極的區(qū)域；然后通過氟離子注入工藝對臺面區(qū)域進(jìn)行選區(qū)注入隔離以制備出具有電學(xué)隔離特征的Micro-LED陣列；接著使用光學(xué)鍍膜機(jī)在整個(gè)臺面區(qū)域沉積厚度為200 nm的透明ITO并進(jìn)行ITO與p-GaN的歐姆接觸退火；最后在ITO表面和第一步中ICP刻蝕出的n-GaN區(qū)域通過電子束蒸發(fā)設(shè)備蒸鍍Cr/Al/Ti/Au(10/100/50/100 nm)金屬層，并在氮?dú)夥諊?00 ℃退火2 min以獲得良好的歐姆接觸。本次實(shí)驗(yàn)一共有3個(gè)樣品，分別是由40 keV離子注入能量(樣品A)、60 keV離子注入能量(樣品B)、120 keV+60 keV離子注入能量(樣品C)制備的Micro-LED陣列，其中120 keV+60 keV離子注入能量是在制備樣品C時(shí)先做120 keV的高能注入，再進(jìn)行60 keV低能注入。

2.2 樣品表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行樣品表面形貌的觀察。采用Keysight B1505A對所制備樣品進(jìn)行電學(xué)特性測試，其中氟離子注入?yún)^(qū)域的方塊電阻通過圓形傳輸線模型(CTLM)提取。LED光電測試系統(tǒng)用于測試樣品的光輸出功率和計(jì)算光功率密度。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品的SEM形貌照片

圖2顯示了樣品B完成離子注入后單顆像素孔直徑為4，6，8，10 μm的圓形藍(lán)光Micro-LED陣列的表面形貌?？梢郧宄乜吹剑蠱icro-LED器件都是有序排列的，并且相同尺寸下的Micro-LED陣列中所有單顆Micro-LED表面形貌相同，這表明離子注入隔離制備的器件陣列在形狀和尺寸上具有良好的均勻性和一致性，與預(yù)期設(shè)計(jì)相符。其中4 μm Micro-LED陣列中單顆Micro-LED中心有小黑點(diǎn)是由于實(shí)驗(yàn)過程中采用的MA6光刻機(jī)最小曝光線寬有限，使得光刻膠掩膜在被曝光時(shí)，像素中心點(diǎn)處受到衍射光斑的影響而被曝光；并且像素尺寸越小，衍射光斑影響越大。因而在離子注入過程中，4 μm Micro-LED中心點(diǎn)處被注入了氟離子，而6，8，10 μm的Micro-LED不受此影響。

圖2 樣品B中4 μm(a)、6 μm(b)、8 μm(c)和10 μm(d) Micro-LED陣列的表面形貌。

3.2 SIMS測試分析

圖3給出了樣品A、B和C上氟離子注入?yún)^(qū)域的SIMS測試結(jié)果。In和Mg兩種元素的SIMS結(jié)果表明，LED外延片結(jié)構(gòu)與前述一致，在115～232 nm范圍內(nèi)存在著9個(gè)周期的InGaN/GaN量子阱。在40 keV單能離子注入情況下，注入的氟離子僅存在于p-GaN層中；在60 keV單能量離子注入情況下，氟離子剛好穿透p-GaN(見圖3(b))；而在120 keV+60 keV雙能量離子注入的情況下，p-GaN層中的氟離子分布相對均勻(見圖3(c))，但是它已經(jīng)穿透了117 nm厚的多量子阱區(qū)域(見圖3(d))，這將對器件的電性能產(chǎn)生不利影響。因此，本文后續(xù)部分將進(jìn)一步分析量子阱破壞對Micro-LED器件陣列光電性能的影響。

圖3 樣品A、B和C中，F(xiàn)-、Mg+和In+的SIMS深度分布圖。(a)、(c)縱坐標(biāo)lg后的離子強(qiáng)度與深度的變化關(guān)系；(b)、(d)縱坐標(biāo)為線性變化的離子強(qiáng)度與深度的變化關(guān)系。

3.3 離子注入隔離區(qū)域CTLM測試分析

為了表征氟離子注入對器件陣列電隔離性能的影響，在完成前述3種不同能量的氟離子注入后，分別在樣品A、B和C的氟離子注入?yún)^(qū)上方制備了一系列具有相同內(nèi)直徑(140 μm)的CTLM環(huán)，其外直徑從小到大分別為180，200，220，240，280，340 μm。構(gòu)成CTLM環(huán)的金屬是ITO/Cr/Al/Ti/Au(200/10/100/50/100 nm)，CTLM的制備過程與Micro-LED陣列制備中ITO和金屬電極的制備工藝流程相同。圖4(a)是在3種不同離子注入條件下，不同尺寸的CTLM環(huán)在相同電壓(-1 V)下對應(yīng)的電阻值?？梢钥闯?，同一組CTLM環(huán)的電阻值在同一量級，幾乎不受CTLM環(huán)間距的影響。這表明，在某些注入條件下，可以認(rèn)為離子注入?yún)^(qū)的電隔離效應(yīng)與隔離間距無關(guān)。因此，離子注入隔離對于制備超小尺寸Micro-LED器件具有重要意義。圖4(b)為從圖4(a)所示的3種注入能量制備的CTLM環(huán)組中提取出的方塊電阻值[20]，可以看出，從樣品A的CTLM環(huán)組中提取的方塊電阻值比從樣品B和樣品C中提取的方塊電阻小7～8個(gè)數(shù)量級。這是由于樣品A中氟離子注入能量較低，注入深度較淺，無法獲得較好的電學(xué)隔離效果。當(dāng)離子注入能量從40 keV增加到60 keV和120 keV+60 keV 時(shí)，方塊電阻值呈指數(shù)增加，電學(xué)隔離效果越來越好。其中樣品B和樣品C中離子注入?yún)^(qū)的方塊電阻值在同一數(shù)量級，但是后者稍大。

圖4 (a)各CTLM環(huán)在-1 V下的電阻值及測試用CTLM環(huán)組；(b)由樣品A、B和C上CTLM環(huán)組提取出的方塊電阻值。

3.4 Micro-LED陣列發(fā)光效果圖

上述結(jié)果證明，將氟離子注入LED外延片可以獲得顯著的電學(xué)隔離效果。因此，為了直觀地判斷離子注入隔離制備的Micro-LED器件之間的光隔離效果，將相同的恒定直流電流(1 mA)連接至樣品A、B和C上的10 μm Micro-LED陣列。需要提前說明的是，因?yàn)榕恼招Ч邢?，三幅陣列都存在小幅度的畸形，但是仍能直觀地看出其差異。從圖中可以看出，樣品A具有一定的光隔離特性(見圖5(a))；但是不夠明顯；樣品B和樣品C具有非常明顯的光隔離效果，其中樣品C的光隔離效果更好(見圖5(c))。之所以出現(xiàn)這種光隔離的差異性，是因?yàn)楫?dāng)氟離子注入能量為40 keV時(shí)，氟離子被完全注入p-GaN的15 nm深度處，并且p-GaN沒有被氟離子穿透(見圖3(b))，使得離子注入?yún)^(qū)下方無氟離子填充的p-GaN區(qū)域仍然能夠發(fā)生載流子的大量遷移，從而載流子進(jìn)一步遷移到離子注入?yún)^(qū)下方的MQW并進(jìn)行發(fā)光復(fù)合。當(dāng)離子注入能量為60 keV時(shí)，離子注入?yún)^(qū)的p-GaN層完全充滿了氟離子，而p-GaN的嚴(yán)重?fù)p壞會導(dǎo)致氟離子注入?yún)^(qū)下方MQW區(qū)域中的載流子復(fù)合數(shù)量大幅減少。當(dāng)離子注入條件為120 keV+60 keV 的雙能注入時(shí)，氟離子不僅完全均勻地分布在p-GaN層中，而且完全注穿了MQW區(qū)域并到達(dá)n-GaN區(qū)域，此時(shí)離子注入?yún)^(qū)下方的MQW中只有極少的載流子會進(jìn)行發(fā)光復(fù)合，因此樣品C具有相對最佳的光學(xué)隔離特性。另外，從后面的J-V測試結(jié)果中可以看到，樣品C由于其120 keV+60 keV的雙能注入而在MQW層中引入了大量缺陷，導(dǎo)致非離子注入?yún)^(qū)下方的MQW的邊界區(qū)域存在更大的漏電，對應(yīng)的器件陣列的外量子效率會大大降低，從而降低樣品C的發(fā)光亮度。因此，盡管樣品C具有最佳的光隔離特性，但樣品B比樣品C具有更好的發(fā)光亮度。

圖5 樣品A(a)、B(b)和C(c)上10 μm Micro-LED陣列的發(fā)光效果圖。

3.5 Micro-LED陣列J-V測試與分析

由于樣品A的光隔離效果較差，因此只進(jìn)一步研究了樣品B和樣品C的器件性能。圖6(a)是相同尺寸(10 μm)下不同離子注入能量制備的Micro-LED陣列的J-V曲線圖。在-5～0 V范圍內(nèi)，樣品C的反向漏電高于樣品A和B，這是因?yàn)闃悠稢的MQW已被完全破壞，氟離子在MQW中引入大量缺陷，這些缺陷將捕獲一定數(shù)量的載流子使得漏電增加[21]。在2～5 V的正向電壓范圍內(nèi)，樣品B和C上Micro-LED陣列的J-V特性接近，但在0～2 V范圍內(nèi)樣品B的電學(xué)性能更好。圖6(b)是樣品B中單顆像素尺寸為4，6，8，10 μm的Micro-LED陣列的J-V曲線圖?？梢钥闯觯琈icro-LED的反向泄漏電流隨著像素尺寸的減小而略有增加，這是因?yàn)殡x子注入過程中也存在相應(yīng)的損傷，這種損傷會隨著器件尺寸的減小而在器件單位面積上劇增。然而圖中所示的漏電差異并非極其大，說明離子注入制備的Micro-LED陣列的漏電都在一定范圍內(nèi)。同時(shí)與圖6(a)相比，圖6(b)樣品B中4種尺寸的Micro-LED陣列在正向電壓范圍內(nèi)的電性能均略好于樣品C。

圖6 (a)樣品A、B和C上10 μm Micro-LED陣列；(b)樣品B上4，6，8，10 μm Micro-LED陣列的電流密度和電壓關(guān)系曲線。

3.6 Micro-LED陣列光功率測試與分析

圖7(a)為采用60 keV離子注入能量制備的不同尺寸的Micro-LED陣列的光學(xué)特性測試結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，4，6，8，10 μm Micro-LED器件陣列能夠輸出較高的最大光功率密度，其中4 μm Micro-LED器件陣列的最大光功率密度(～200 W/cm2)遠(yuǎn)高于其他3種尺寸的器件陣列。4種尺寸器件陣列的光功率密度分別在4 800，2 000，1 200，900 A/cm2處達(dá)到飽和，同時(shí)最大光功率密度存在著隨像素尺寸減小而增加的規(guī)律，主要原因是電流擁擠效應(yīng)和熱堆積效應(yīng)[17]對較小尺寸的Micro-LED陣列具有更低的影響。圖7(b)為樣品B上4，6，8，10 μm四種尺寸Micro-LED陣列的外量子效率(EQE)與電流密度的關(guān)系，從圖中可以看到，10 μm Micro-LED陣列的峰值EQE接近4%，該結(jié)果高于文獻(xiàn)[12]中ICP干法刻蝕制備的10 μm Micro-LED不到2.5%的峰值EQE。另外，從圖中還可以看出，基于離子注入工藝制備的Micro-LED陣列的EQE受到器件尺寸的影響較為明顯，這是因?yàn)樵陔x子注入過程中Micro-LED器件邊緣被引入了大量晶格損傷，并且器件單位面積的晶格損傷會隨著器件尺寸減小而增多，從而使得Micro-LED陣列的光效受器件尺寸的影響十分明顯。

圖7 (a)樣品B上不同尺寸的Micro-LED陣列的光功率密度與電流密度的關(guān)系；(b)樣品B上不同尺寸Micro-LED陣列的外量子效率與電流密度的關(guān)系。

4 結(jié) 論

本文采用離子注入工藝將高電阻態(tài)引入LED結(jié)構(gòu)頂層p-GaN的特定區(qū)域，完成了超小尺寸橫向結(jié)構(gòu)的Micro-LED器件制備。采用60 keV單能量注入的Micro-LED陣列反向漏電優(yōu)于120 keV+60 keV雙能量注入的器件，因?yàn)殡p重注入氟離子已經(jīng)穿透并嚴(yán)重破壞了量子阱區(qū)域，導(dǎo)致其漏電大幅增加。另外，60 keV單能注入制備的Micro-LED陣列漏電最低，其中4 μm Micro-LED陣列的最大光輸出功率密度高達(dá)200 W/cm2。因此，離子注入工藝將為超小尺寸Micro-LED芯片制備提供新思路，并且這種傳統(tǒng)的平面化微納加工工藝方案在第三代半導(dǎo)體新型器件制備中具有性能優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)化前景。