GaN基micro-LED的特性与技术

由于出色的光电性能、快速响应时间、出色的功率效率和高度稳定性，与LCD和OLED显示相比，微型LED在下一代显示技术中发挥着越来越重要的作用。本文主要介绍了GaN基微型LED阵列的制备方法、光电特性以及实现全色显示的几种关键技术，如转移打印、量子点颜色转换和局部应变工程。

一、介绍

从等离子显示面板（PDP）、阴极射线管（CRT）到液晶显示器（LCD），再到有机发光二极管（OLED）和量子点发光二极管（QLED），新一代显示技术的竞争从未停止过。随着OLED和QLED挑战LCD并主导整个显示市场，微型LED因其出色的高亮度、大色域、快速响应时间、出色的功率效率和高度稳定性等特点而进入了人们的视野。微型LED显示器在可穿戴设备如腕带和手表到商业广告牌、公共显示器以及虚拟现实（VR）或增强现实（AR）设备等领域具有广阔的应用前景。

正如表1所示，与LCD和OLED相比，微型LED具有出色的图像质量、卓越的稳定性等突出优点。首先，与LCD相比，自发光微型LED由于没有彩色滤光片和背光单元，可以降低设备厚度。此外，微型LED的亮度和对比度分别为100 000 cd/m²和∞。此外，微型LED显示屏的PPI可以达到1500以上，甚至可以达到10 000。微型LED的反应时间非常短，可以达到0.2纳秒，比OLED快约104倍。根据Arrhenius公式估计，微型LED的寿命超过10年，与LCD和OLED相比更具竞争力。其次，微型LED具有宽视角（约178°）和高色域（> 100%，NTSC）等特点。由于这些出色的性能，微型LED被视为未来显示方向的有前途的光源。

表1 

二、基本的微led处理技术

对于微型LED的加工，使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在基片上进行外延层生长。例如，在硅基片上引入外延GaN晶片，然后进行芯片制造过程。在这里使用硅作为基片的原因是它具有大尺寸、低成本、高导热率等优点，并且可以与Si基微电子器件集成。此外，硅基片在生长高效LED方面具有更多优势，如长发射波长（如红光、绿光和黄光）的LED[22]。在MOCVD中，使用清洁的硅作为基片，并注入相应的前驱气体以生长外延LED层。如图1（a）所示，可以看到外延层主要包括GaN缓冲层、n型掺杂GaN层、InGaN/GaN多量子阱（MQW）层、AlGaN电流阻挡层和p型掺杂GaN层。然后，在晶片顶部蒸发一层铟锡氧化物（ITO）作为电流扩展层。然后，采用芯片制造技术对外延晶片进行处理，如图1（b）所示。通过自对准技术将ITO电流扩展层和外延层图案化并蚀刻到n-GaN层，形成微型LED台面阵列。然后通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）沉积一层SiO2作为钝化层，最后沉积一层Ti/Au作为电极，如图1（c）和1（d）所示。

图1 （彩色在线）(a)基于gan的硅衬底外延结构。(b)蚀刻到n-GaN层，形成微led台面阵列。(c)二氧化硅通过PECVD的沉积。(d)Ti/Au的沉积作为电极

三、微led的性能

在此，我们进行了许多性能测试来验证微型LED的优异特性。微型LED的I-V特性与经典半导体理论中的p-n结二极管相似。从同一外延晶片上制备的不同直径的蓝色微型LED像素的I-V曲线可以看出，随着芯片尺寸的减小，像素的串联电阻增加，如图2（a）所示。这种变化主要是由于微型LED尺寸的减小。图2（b）显示了蓝色微型LED的电流密度与偏置电压之间的关系曲线。在相同的偏置电压下，小像素的电流拥挤效应较小，电流分布更均匀，因此相同电压下小像素的电流密度更高。

图2 （彩色在线）不同尺寸的蓝色微led像素的(a)I-V曲线。(b)不同尺寸的蓝色微led的电流密度曲线

光学特性是微型LED的基本和重要特性之一，因此还进行了其他如L-I等测试。如图3（a）所示，从曲线可以看出，在相同电流下，最大输出功率随着像素尺寸的增加而增加。而相应的光输出功率与电流密度的关系曲线如图3（b）所示。微型LED设备的尺寸越小，可以输出的最大光功率密度就越高，并且根据图2，尺寸更小的微型LED设备可以承受更高的注入电流密度。结果还表明，微型LED具有高饱和电流密度和高光输出功率密度的优点。基于这些性能测试，微型LED显示器的亮度可以达到100,000 cd/m²。因此，微型LED的高亮度可以轻松满足AR和其他高性能显示应用的要求。

图3 （彩色在线）不同直径的蓝色微led的(a)L-I曲线。(b)不同尺寸的蓝色微led的光输出功率密度与注入电流密度的曲线。

四、结论

微型LED作为下一代全色显示的基本特性和技术，包括制备过程、与LCD和OLED显示的比较、相关电学和光学性能以及全色技术。随着微型LED的发展，它在学术界和工业界在未来的显示技术领域确实有望发挥重要作用。