Micro-LED器件：从极性c面到非极性或半极性的发展趋势.pdf

第 38 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.38 No.10Oct.2023液晶与显示Chinese Journal of Liquid Crystals and DisplaysMicro-LED器件：从极性 c面到非极性或半极性的发展趋势王麒1，杨波波1*，李威晨1，邹军1，2*，杨雪舟3，徐华4，钱麒5，陈俊锋6，李杨7（1.上海应用技术大学 理学院，上海 201418；2.浙江安贝新材料股份有限公司，浙江 湖州 313000；3.宁波朗格照明电器有限公司，浙江 宁波 315000；4.广东皇智照明科技有限公司，广东 中山 528400；5.惠创科技（台州）有限公司，浙江 台州 318000；6.浙江绿龙新材料有限公司，浙江 海宁 314419；7.西双版纳承启科技有限公司，云南 西双版纳 666100）摘要：氮化镓作为第三代照明器件材料相较于第一代硅与第二代砷化镓在性能上有了很大提高，基于氮化镓的 Micro-LED 器件也愈发被人们所关注。然而由于在传统 c面上生长的 LED 其自身所固有的一些缺陷往往在实际应用中发射效率不高，如存在量子限制斯塔克效应、绿色间隙、载流子传输等问题。基于非极性或半极性的 LED 没有极化电场，具有较强的内量子效率，电子和空穴复合机率大等优点，对非极性和半极性 Micro-LED器件的研究与应用引起了人们很大的兴趣。本文对非极性和半极性 Micro-LED器件研究现状进行综述。首先从量子限制斯托克效应、绿色间隙、载流子传输、效率下降 4个方面介绍了非极性和半极性氮化镓基材料的优势。接着针对缺陷位错、增加光提取效率与在不同电流密度下实现全彩显示等问题，介绍了芯片成形、图案刻蚀与阵列这 3种技术，最后对 Micro-LED 作为下一代显示引领者进行了展望。希望对 Micro-LED今后的研究有所帮助。关键词：氮化镓；Micro-LED；非极性；半极性中图分类号：TN315；TN383+.1 文献标识码：A doi：10.37188/CJLCD.2023-0205文章编号：1007-2780（2023）10-1347-14收稿日期：2023-06-06；修订日期：2023-07-22.基 金 项 目：国 家 重 点 研 发 计 划（No.2021YFB3501700）；上 海 市“科 技 创 新 行 动 计 划”农 业 科 技 领 域 项 目（No.22N21900400，No.23N21900100）；国家自然科学基金青年科学基金项目（No.12104311）；上海应用技术大学中青年教师科技人才发展基金（No.ZQ2022-3）Supported by National Key R&D Program of China（No.2021YFB3501700）；Shanghai Science and Technology Committee（STCSM）Science and Technology Innovation Program（No.22N21900400，No.23N21900100）；National Natural Science Foundation of China（No.12104311）；Science and Technology Talent Development Fund for Young and Middle-aged Teachers of Shanghai Institute of Technology（No.ZQ2022-3）*通信联系人，E-mail：；第 38 卷液晶与显示Micro-LED devices：the trend from polar c-plane to nonpolar or semipolarWANG Qi1，YANG Bo-bo1*，LI Wei-chen1，ZOU Jun1，2*，YANG Xue-zhou3，XU Hua4，QIAN Qi5，CHEN Jun-feng6，LI Yang7（1.School of Science，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China；2.Zhejiang Anbei New Material Co.，Ltd.，Huzhou 313000，China；3.Ningbo Longer Lighting Co.，Ltd.，Ningbo 315000，China；4.Guang Dong KG Lighting Technology Co.，Ltd.，Zhongshan 528400，China；5.Huichuang Technology（Taizhou）Co.，Ltd.，Taizhou 318000，China；6.Zhejiang Lvlong New Material Co.，Ltd.，Haining 314419，China；7.Xishuangbanna Chengqi Technology Co.，Ltd.，Xishuangbanna 666100，China）Abstract：Gallium nitride，as the third generation material of lighting devices has greatly improved，compared with the first generation of silicon and the second generation of gallium arsenide performance.Gallium nitride-based Micro-LED devices are also getting more and more attention.However，the emission efficiency of the traditional c-plane growth of LEDs is not high in practical applications，due to quantum confined stark effect，green gap，carrier transport or other problems.Nonpolar or semipolar LED has the advantages of non-polarized electric field，stronger internal quantum efficiency，and more probability of electron and hole recombination.Therefore，the research and application of nonpolar and semipolar Micro-LED devices have aroused great interest.This paper reviews the research status of nonpolar and semipolar Micro-LED devices.Firstly，the advantages of nonpolar and semipolar gallium nitride materials are introduced from four aspects：quantum confined Stark effect，green gap，carrier transport and efficiency droop.Then，three technologies of chip shaping，pattern etching and array are introduced for solving the problems of defect dislocation，low efficiency of optical extraction and realizing full color display under different current density.Finally，the prospect of Micro-LED as the next generation display leader is given.It is hoped that it will be helpful in the next research for Micro-LED.Key words：gallium nitride；Micro-LED；nonpolar；semipolar1 引言氮化镓（GaN）作为第三代照明材料，相比于第一代以硅（Si）、锗（Ge）为制备材料和第二代以砷化镓（GaAs）为制备材料有了很大的进展。GaN与第一、二代半导体材料相比1，具有高的击穿场强、饱和电子漂移速度和导热率等，且为直接带隙结构，有利于其中的电子与空穴的复合。GaN基半导体材料包括氮化铝（AlN）、氮化铟（InN）、GaN及其由此 3种元素组成的合金化合物。GaN材料的禁带宽度为 3.4 eV，有利于制作大功率和高功率的器件。GaN 基材料合金的禁带宽度在0.76.2 eV 范围内连续变化，可覆盖紫外到红外的整个可见光波段。GaN 基材料一般具有闪锌矿和铅锌矿两种状态，闪锌矿结构一般在低温下成形，呈现出亚稳态；而铅锌矿结构在常规下呈现出热力学稳定相，为稳定态。然而，由于传统极性 GaN 基材料在应用中会因量子限制斯塔克效应（QCSE）、绿色间隙、载流子传输等问题而导致其发光效率不高，因此，研究人员将目光投入到非极性或半极性GaN基材料的研究中。1974 年，美国的 Pankove 和 Schade等2采用分子束外延（MBE）技术生长了非极性GaN 外延材料，从此开启了对非极性族氮化物1348第 10 期王麒，等：Micro-LED器件：从极性 c面到非极性或半极性的发展趋势的探索。2000年，Waltereit等3采用MBE在（100）面的r-LiAlO2衬底上生长出了非极性GaN器件结构，展示了 m面的 GaN量子阱（QWs）中没有极化电场。2006年 Zou等4采用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在衬底上生长了 m面 GaN层。一种基于 GaN 基材料的微型 LED（Micro-LED）现已受到越来越多的关注。Micro-LED 一般被定义为小于 100 m5，其概念开始是 Jiang团队6 在2000年成功制备了直径为12 m的Micro-LED 芯片。传统的 LED 芯片主要用于一般照明和显示背光模块。Mini-LED 如今虽已大量商业化，能大幅提高液晶显示器（LCD）画质效果，适用于高动态范围成像（HDR）和柔性显示器等背光应用，但其本质仍为背光技术，因此仍然无法完全替代 Micro-LED 技术。与 LCD 和有机发光二极管（OLED）相比，Micro-LED具有体积小、自发光、分辨率高、宽色域、发光效率高、低功耗、色彩饱和度强、长寿命和响应速度快等优点7。因此，Micro-LED 现已在多领域得到应用，如高端电视显示、可穿戴设备、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等，其产值也在大幅提升。根据市场研究机构Research and Markets的预测，全球 Micro-LED 市场在 2027年将达到 211.69亿美元，年复合增长率约为 81.5%8。此外，据 Yole 估计，到 2025 年，Micro-LED 显示屏市场将达到 3.3 亿台9。研究人员认为其是下一代显示技术的候选者。本文介绍了非极性 GaN 基材料相较于极性 c面所特有的优势，从芯片成形、图案刻蚀和阵列三方面介绍关于 Micro-LED 的技术改进，并对非极性或半极性 Micro-LED 器件的实际应用进行了展望。2 非极性 GaN基材料的优势与传统 c面 LED 相比，非极性 GaN 的 QW 中没有极化电场，内量子效率（IQE）较强，载波函数之间的重叠机率大，只要缺陷密度没有明显增加，QW 可以在不降低 IQE 的情况下增厚。非极性GaN 可以缓解 QW 过薄导致的多量子阱（MQW）器件中载流子传输不平衡的问题，从而能得到很好的应用10。2.1量子限制斯塔克效应（QCSE）GaN基材料的极化效应分为自发极化（PSE）和压电极化（PPE），产生这两种极化的机理并不相同。自发极化是晶体内部结构引起的极化效应。因为纤锌矿结构不是中心对称的，即单位晶胞的正负电荷中心在空间的垂直方向上并不重合，因此在每个晶胞中会产生一个垂直方向的偶极矩。对于完整晶体而言，多个偶极矩的共同作用可等效成一个内建电场，此电场的方向也是垂直的。压电极化是由外力引起的极化效应。对于GaN等III族氮化物材料，这种外力主要来自于不同氮化物组成异质结时产生的相互之间的应力，应力根据方向的不同可以分为压应力或者张应力。极化效应是自发极化与压电极化的叠加效果。当材料受到张应力时，自发极化与压电极化方向相同，极化效应表现出较强状态；当材料受到压应力时，自发极化与压电极化方向相反，极化效应表现出较弱的状态。这种极化效应对光电器件是有害的。LED等大多数光电器件主要依靠QW中电子与空穴的复合发光，由于极化效应的存在，使其能带结构发生弯曲并且使电子与空穴在空间上发生分离，这便会减少电子与空穴在量子阱中的复合过程，从而导致光电器件的发光效率下降及发光波长的红移，这便是量子限制斯塔克效应（QCSE）11。为了消除QCSE 对光电器件发光效率的影响，研究者们逐渐将视野投入到了非极性 GaN材料上。2.2绿色间隙在 AlGaInP 体系中，红色光谱区域可实现高IQE，但由于直接-间接带隙跃迁，黄绿光谱区域的IQE峰值明显较低。InGaN材料在整个可见光谱区域有直接带隙，因此具有高 IQE的 InGaN/GaN基的蓝色 LED已经商用12。然而，无论采用何种材料，在绿色光谱区域内，氮化物基 LED 的效率显著下降，这种绿色到黄色 LED 的低效率被称为“绿色间隙”13。导致氮化物基 LED 的低效率主要有两个原因：外延生长困难和QCSE较强10。InN与GaN之间的晶格失配约为 10%，为了增加 LED 的发射波长，QW 中的铟含量必须增加。对于绿色光谱区域的发射，QW 中的铟含量必须在 30%左右，这就使得 QW 与未应变 GaN 衬底层之间存在约3%的晶格不匹配。当活性区应变较大时，易产生新的缺陷，如凹坑、位错和堆积错误，从而使应变能降低。1349第 38 卷液晶与显示QCSE 还限制了 LED 在绿色光谱区域的性能。由于 InGaN 和 GaN 之间的极化不连续与晶格失配应变成正比，所以 QW 中铟含量较高的 c面 LED 更容易受到 QCSE 的影响。与蓝色 LED相比，绿色 LED 具有更强的波长漂移和更低的IQE。外延生长中的挑战可以通过应变管理14和进一步优化生长条件15来解决。然而，QCSE 的局限性源于材料的性质，这很难通过工程解决。因此，沿着没有或减少内部极化的晶体方向生长器件，以进一步提高绿隙中的器件性能，具有重要的意义。2.3MQW LED中的载流子传输问题c面 LED的 QW 厚度较薄是为了保持良好的IQE，因此增加 QW 的数量是增加传输总容量的常用方法。然而，MQW LED 的有效体积受到QW 间载流子传输的限制。导带中的电子比价带中的空穴具有更小的有效质量和更高的迁移率，导致 QW 中的载流子分布不均匀16。对于 InGaN/GaN QW，导带（Ec）的带偏要高于价带（Ev）的带偏，故电子通过热离子发射逸出 QW 应该有更高的势垒。然而，有关实验表明，空穴传输是 c 面 MQW LED 的主要限制因素17。生长出高度 p掺杂的 AlGaN层作为电子阻挡层（EBLs）上方的活性区域，以缓解电子泄漏问题18。Schubert等19将电子泄漏问题归结为电子注入 QW 后停留时间短，很深的传导偏移和较小的有效质量使注入 QW 的电子具有较高的初速度。在一个薄的QW中，注入的电子有很大的概率相干地穿过QW而不被声子松弛捕获。Sizov等20提出，长波长 LED 和激光二极管（LD）的主要输运机制是弹道输运，而不是常用的漂移-扩散输运模型。上述研究均表明 QW 中极化相关电场有利于弹道输运。QW/势垒界面上的片状电荷加速了电子注入，并显著减少了它们的停留时间。对于注入QW的空穴，由于导带偏移量小、有效质量大，其初始速度要低得多。孔洞在 QW 中发生弹道运输的概率要小得多。对于那些通过热离子发射或与声子相互作用逃离QW的空穴，势垒中强极化相关的电场阻止了相邻QW之间的空穴注入，导致大多数注入的空穴填充在最靠近 p侧的 QW 中。为了提高c面MQW LED的空穴注入效率，人们提出了许多势垒结构，如掺 Mg势垒21、InGaN势垒22、成分梯度 InGaN势垒23等。然而，掺镁会导致镁扩散到 QW 中，降低器件的 IQE，而使用InGaN 势垒则会导致应变管理问题。由于非极性和半极性 LED 没有或减少了极化电场，与 c面LED相比，空穴注入效率得到了提高24。2.4效率下降问题虽然在低注入电流密度下具有高 IQE峰值的LED 已经上市，但随着注入电流的增加，其效率会迅速下降，这种随着注入电流密度的增加 IQE恶化的现象被称为“效率下降”10。为了增加商用LED 的总辐射通量，人们增大了总芯片面积而非提高电流密度，虽然这样制造成本有所增加，但效率得到了保证。因此，解决 LED的照明效率下降问题迫在眉睫。Lumileds认为俄歇复合是效率下降的主要原因25。俄歇复合是一种非辐射复合过程，其速率与材料中载流子密度 n的立方成正比。Lumileds观察到，随着激发功率的增加，InGaN 层的光致发光（PL）效率有所下降。此实验在零偏置条件下进行，以排除有源区域载流子动力学的影响。他们给出的结论是，无论器件的设计如何，下降都 是 材 料 的 固 有 属 性。UCSB 的 Kioupakis 等人26用 InGaN 中俄歇重组系数（C）的第一性原理计算支持了这一结论。有人认为声子辅助空穴-空穴-电子的俄歇复合过程在高载流子密度下起主导作用，特别是在长波长的发射中。Lumileds理论提出的解决方案是使用较厚的 InGaN QW 来降低有源区的载流子密度27。Li等人28观察到，通 过 将 QW 厚 度 从 2.5 nm 增 加 到 13 nm，c 面LED 的峰值效率从 10 A/cm2提高到 200 A/cm2，这与 Lumileds的观点一致。然而，伦斯勒理工学院的研究人员认为，高注入电流下的电子泄漏是效率下降的主要因素，而非俄歇复合。在 QW/势垒界面上，由于电子的有效质量较小且存在片状载流子，因此电子被扫过了有源区域。那些未被 QW 捕获的电子最终会消失在有源区域之外，导致在高注入下效率降低。三星公司使用了四元（Al，In，Ga）N合金作为势垒，以匹配势垒和 QW 之间的极化29。在设计氮化材料的极化和带隙时，使用四元合金提供了另一个自由度。当势垒和量子阱的极化相同时，可以消除界面处的片状电荷。弗吉尼亚联邦大学1350第 10 期王麒，等：Micro-LED器件：从极性 c面到非极性或半极性的发展趋势的研究人员30设计了具有阶梯式电位的 QW 以减轻热电子的影响，效率有所提高。Wang 等31在 MQW c 面 LED 中使用了渐变 InGaN 势垒来改善空穴传输，当 QW 中有更均匀的载流子分布时，下降问题得到了改善。使用原子探针断层扫描（APT）32的研究表明，QW 中铟成分的波动可能是光谱展宽的原因。然而，更高的载流子密度会增强俄歇复合且较小的活动体积也会增加溢流的机率。Micro-LED 由于尺寸小、散热好，与一般大尺寸 LED 仅能承受几十或几百 A/cm2的饱和电流密度相比，Micro-LED 更适合高的注入电流密度环境33。3 Micro-LED的改进技术对于显示器件而言需具备以下几个重要的性能指标：（1）高动态范围（HDR）和高环境对比度（ACR）34；（2）高分辨率；（3）宽色域35；（4）宽视角和不明显的角度色移36；（5）快速的运动图像响应时间（MPRT）37-38；（6）低功耗；（7）轻薄级系统与低成本。已有研究证明，Micro-LED 显示器满足了高亮度（10 000 000 cd/m2）39、高 PPI（5 000）40、快速 MPRT、低功耗和长寿命的所有要求41。然而，Micro-LED 目前依然面临着巨量转移、晶圆键合和全彩工艺的问题，提高其良率变得尤为迫切，而采用芯片成形、图案蓝宝石衬底（PSS）、空腔阵列（AVA）和表面纹理等技术使得 Micro-LED的光提取效率有了不断提高。3.1芯片成形目前GaN材料与器件主要在蓝宝石衬底上生长和制备，这种在不同衬底上外延的方法称为异质外延。异质外延导致的晶格失配会使生长的材料具有较高的缺陷密度，同时也会产生较大的应力42-43。同质外延技术被认为是非极性或半极性外延的理想解决方案，然而同质外延的自支撑非极性面 GaN 衬底仍然存在尺寸小、价格昂贵的问题。制备高质量非极性 GaN 的方法一般采用或借鉴异质外延 c 面 GaN 的方法（如图 1 所示），异质外延的非极性 GaN 中仍存在大量的缺陷44。这种表面缺陷的存在会产生非辐射复合，在外延时有如位错或蚀刻坑等缺陷会导致垂直 GaN p-n二极管的反向泄漏的问题45，且随 LED 尺寸缩小，缺陷会严重影响器件的性能。因此寻找一种简便而又有效的制备高质量非极性 GaN 外延的方法是十分必要的。研究者们在芯片上采用纳米线或纳米球结构，通过异质外延方法来解决缺陷位错问题。Lu等46 报道了一种纳米线（NWs）上的非极性GaInN/GaN 多量子壳（MQSs）结构（图 2）。通过MOCVD的选择性生长，在 n型 GaN/蓝宝石模板上制备了这种NW结构。实验表明，MQS NWs的最佳生长条件为 3 对 MQS，其中 GaInN/GaN 在750 下分别生长 4.3 min、21.2 min。此外，在低温生长或长时间生长的 NW 样品中，富 In 薄片的形成是由于 r面向结方向扩散的前驱体和对应物上撞击的吸附原子诱导的过度生长。随着 GaN势垒厚度的增加，r面和m面交界处富In液滴的形成受到抑制。该结果证明了实现高发射强度、无位错 m 面同轴 NWs 的可行性，对于提高基于NWs的白光和Micro-LED的性能有很大的前景。Zhu 等47利用自组装多层二氧化硅纳米球（MSN）通过选择性面积外延，获得了一种低缺陷密度的非极性和半极性异质外延 GaN 的简便方法。图 3为沉积在 GaN/蓝宝石模板上的二氧化硅纳米球。通过对单晶硅进行外延集成和简单的一步生长工艺，获得了具有高晶体质量的非极性（1120）和半极性（1122）氮化镓层，能将位错分别降低到 107 cm-2和 3108 cm-2，且显著降低基图 1GaN晶体结构的 c面、a面、m面及 r面。Fig.1c-plane，a-plane，m-plane and r-plane of GaN crystal structure.1351第 38 卷液晶与显示面层错（BSF）密度超过一个数量级。这种自组装MSN技术为提高在其他取向上生长的 GaN 材料质量或其他晶格不匹配材料的异质外延生长提供了独特的机会。半极性和非极性异质外延期间，当有 n 极性（0001）面的出现时便会产生叠错（SFs）。Song等48则报道了消除 SF 的一种新方法，并用这种方法在蓝宝石衬底上制备了大面积、无 SF 的半极性 GaN结构。图 4为二维动力学武尔夫图和制图 3不同沉积速率（a）0.15 mm/min，（b）0.3 mm/min，（c）0.6 mm/min 的二氧化硅纳米球沉积在 GaN/蓝宝石模板上的 SEM 图像；（d，g）多层、（e，h）密实填充 ML 和（f，i）松散填充 ML 的二氧化硅纳米球完全凝聚样品的平面 SEM 和室温全色 CL图像47。Fig.3SEM images of silica nanospheres deposited on a GaN/sapphire template with different deposition rates（a）0.15 mm/min，（b）0.3 mm/min，（c）0.6 mm/min.Plan-view SEM and roomtemperature panchromatic CL images of fully coalesced samples with（d，g）multilayer，（e，h）densely packed ML，and（f，i）loosely packed ML of silica nanospheres47.图 2NW 样品 a1，a2和 a3的平面（ai）（ci）和截面（aii）（cii）SEM 图像，其中 MQS 分别在 730、740 和 750 下生长；（aiii）（ciii）样本对应的 CL映射图像；（d）NW 样品的扫描 CL谱46。Fig.2（ai）（ci）Planar and（aii）（cii）cross-sectional view SEM images of the NW samples a1，a2，and a3，where the MQS were grown at 730，740，and 750，respectively.（aiii）（ciii）Corresponding CL mapping of the samples；（d）Survey-scanned CL spectra of the NW samples46.图 4（a）未掺杂和（b）掺锗GaN的二维动力学伍尔夫图映射到 a平面上；（c）未掺杂和（d）掺锗（2021）GaN 生长在图案（2243）蓝宝石衬底上的SEM截面图像48。Fig.42-D kinetic Wulff plots mapped onto a-planes for（a）undoped and（b）Ge-doped GaN.Cross-sectional SEM images of（c）undoped and（d）Ge-doped（2021）GaN grown on a patterned（2243）sapphire substrate48.1352第 10 期王麒，等：Micro-LED器件：从极性 c面到非极性或半极性的发展趋势备的大面积、无 SF 的半极性 GaN 结构。该团队通过调用动力学伍尔夫图的概念，成功地抑制了n 极性 GaN（0001）面的发生，从而消除了（0001）基面中产生的堆叠故障，且在蓝宝石衬底上无SF的半极性（2021）GaN上制备了性能较好的 InGaN 发光二极管。这种结构为非极性和半极性GaN的异质外延生长提供了新的思路。3.2图案刻蚀技术采用图形衬底生长无极性GaN有助于降低无极性 GaN 外延层的缺陷和增加光提取效率。研究者也尝试在外延生长过程中在 GaN 外延层中插入 SiNx中间层，以提高外延层的结晶质量49。这种获得高质量 GaN 外延、降低缺陷密度的方法主要通过以下两个手段：一是利用图形衬底或者插入层来减少缺陷的产生与传播；二是利用横向生长来使位错弯曲。图形衬底的引入可以有效达到减少缺陷的目的，合适的图形衬底也可以获得较大的横向生长空间。然而，芯片侧壁损伤效应也是 Micro-LED 效率下降的一个重要因素。在所有方法中，使用原子层沉积的侧壁钝化被认为是抑制漏电流和表面缺陷的最有效技术50-51。Wong等52正是采用化学处理和原子层沉积相结合的方法使 Micro-LED 的理想因数从 3.4 提高到 2.5。结果表明，在干法刻蚀后，通过适当的侧壁处理可以解决尺寸依赖效率的问题。此外，湿化学处理，如氢氧化钾和硫化铵，已被用于改善光电性能，并减少传统 LED 干法刻蚀造成的侧壁损伤53。除芯片成形技术外，研究者们也采用刻蚀蓝宝石衬底来降低缺陷消除位错，以提高芯片的性能。Song 等54用 n 极性 GaN 在有图案的（2243）蓝宝石衬底的倾斜 c面侧壁上，演示了单极性、半极性（2021）GaN的生长。图 5为生长在有图案蓝宝石基底上的（2021）GaN。通过优化衬底氮化和使用AlN缓冲层，该团队实现了整个2 in（1 in=2.54 cm）晶片的均匀增长。进一步采用化学机械抛光工艺使表面平整化，最终表面均方根粗糙度小于 1.5 nm，面积为 10 m10 m。且 InGaN发光二极管生长在抛光的（2021）GaN/蓝宝石模板上，其电致发光发射波长约为 490 nm。该研究在大面积蓝宝石晶圆（2021）平面上，为 GaN 光电子和微电子研究开辟了新的机会。Kong 等55以有图案的蓝宝石为衬底，使用 c面 GaN 平面蓝宝石衬底（PSS）技术，生长了缺陷密度较低的非极性 a 面 GaN（a-GaN）脱皮层（如图 6所示）。初始 GaN沿半球图案的脊部拉长，显示出不同的晶体取向，这是从平面蓝宝石衬底区域快速沉积的横向过度生长的结果。由于缺陷的倾斜和外延横向过度生长，a-GaN 薄膜在半球图案上的缺陷显著减少。此外，在r-PSS的顶部还产生了空洞和锯齿形棱柱状的堆积错误（PSFs）图 5在图案蓝宝石衬底上生长的（2021）GaN 的光学显微镜图像。（a）CMP 工艺前和（b）CMP 工艺后；（c）（2021）CMP 工 艺 后 的 GaN/蓝 宝 石 的 2 in（1 in=2.54 cm）图 像；（d）扫 描 面 积 为 10 m10 m的 AFM 图像54。Fig.5Nomarski optical microscope images of（2021）GaN grown on the patterned sapphire substrate.（a）Before and（b）after the CMP process；（c）Photo of a 2 in（1 in=2.54 cm）（2021）GaN/sapphire after the CMP process；（d）AFM image with a scanning area of 10 m10 m54.图 6基于 TEM 显微结构表征的 r-PSS 上非极性 a-GaN薄膜生长演化示意图55Fig.6Schematic diagrams showing the growth evolution of nonpolar a-GaN films on r-PSS，based on microstructural characterization by TEM55.1353第 38 卷液晶与显示等缺陷。对于 r-PSS 上的 a-GaN 薄膜，基底层错 和 部 分 位 错 密 度 分 别 降 低 到 8.0105 cm-1和 8.4109 cm-2。此半球形 r-PSS上的非极性 a-GaN 薄膜表现出优异的晶体质量和较低的缺陷密度。同样，Son等56报道了利用蚀刻的 a-GaN 在 r面蓝宝石衬底上生长了整体缺陷密度低、晶粒质量较高的非极性（11-20）a-GaN 层，图 7 为 a-GaN层生长示意图。采用脉冲 NH3间断蚀刻法刻蚀a-GaN 层，随后在蚀刻的 a-GaN 层上重新生长了2 m厚 Si掺杂的 a-GaN层，获得了具有低穿线位错密度（7.5108 cm-2）和低基底层错密度（1.8105 cm-1）的全聚结n型a-GaN层。与平面样品相比，（11-20）x射线摇摆曲线的半极值全宽沿 c轴方向减小到 518 arcsec，沿 m 轴方向减小到 562 arcsec。此基于 a-GaN 层的 LED 器件经过脉冲 NH3中断蚀刻后，由于光散射和 MQW 中非辐射重组中心数量的减少，其性能优于平面 LED器件。3.3阵列技术2000 年堪萨斯州立大学的 J.Y.Lin 等人57制备了直径为 12 m、间距为 50 m 的微盘发光二极管阵列。2006年，长春光机所梁静秋等人58 通过湿法腐蚀工艺制备了像素尺寸为 16 m20 m 的红光 Micro-LED 阵列。2010 年，斯特克莱德大学的 Z.Gong等人59制备了像素数为 6464、发 光 波 长 为 560 nm、像 素 间 距 50 m 的 绿色 Micro-LED 阵列。2012年，斯特克莱德大学的Shuailong Zhang等人60由高 In摩尔分数的 InGaN外延结构制作了一种颜色可调、可单独寻址的Micro-LED 阵列，该器件能实现多色显示效果。Micro-LED 阵列是在较小面积内集成的高密度、微尺寸的 LED 二维阵列，其微尺寸、高亮度等优点使之可以应用在高分辨显示、超分辨显微镜和可见光通信等众多领域33。由于 Micro-LED 具有更高的面体积比，有更多的光从 Micro-LED 的表面溢出，因此其具有更高的光萃取效率；又因为 Micro-LED 可以承受更高的电流密度，电流密度的增加使光功率密度也随之增加，因此 Micro-LED具有更高的光功率密度。与 c 面 Micro-LED 相 比，非 极 性 或 半 极 性Micro-LED 具有更好的电学和光学性能，且采用 阵 列 技 术 不 仅 对 QSCE 起 到 抑 制 作 用 还 对Micro-LED在色域上有一定的提高。Xu等61制造了一种半极性平面Micro-LED阵列（如图8所示）。在注入电流密度为 775.6 A/cm2的条件下，半极性 Micro-LED 的相对 EQE 保持在 62%，表明由于MQW的极化减小，效率下降减小。在注入电流密度从 11.1 A/cm2到 775.6 A/cm2时，发射峰蓝移显著，降低了55%。此外，还研究了不同像素大小的半极性 Micro-LED 的载流子重组动力学和空间光分布。研究结果表明，小尺寸半极性 Micro-LED是一种很有前途的高调制带宽光源。Chen等62报道了一种具有高颜色稳定性的全彩 Micro-LED 阵列，该阵列由半极性（2021）蓝色 LED 制成，并采用了量子点光刻胶（QDPR）颜色转换层。图 9 为制作全彩色 RGB 像素阵列的工艺流程。采用取向控制外延法在大尺寸（4 in（1 in=5.4 cm）图纹蓝宝石衬底上制备了半极性（20-21）的 InGaN/GaN Micro-LED。在 200 A/cm2的注入电流密度下，半极性 Micro-LED 的峰值波图 7a-GaN 层生长示意图。（a）用 SiO2纳米柱掩膜在 r面蓝宝石衬底上生长 a-GaN 层；（b）在 a-GaN 层上制备 SiO2纳米柱掩膜；（c）a-GaN 层蚀刻工艺；（d）蚀刻 a-GaN层；（e）a-GaN层完全聚结56。Fig.7Schematic diagram of a-GaN layer growth.（a）a-GaN layer grown on r-plane sapphire substrate with SiO2 nanopillar mask；（b）Fabrication of SiO2 nanopillar mask on a-GaN layer；（c）a-GaN layer etching process；（d）Etched a-GaN；（e）Fully coalescent a-GaN layer56.1354第 10 期王麒，等：Micro-LED器件：从极性 c面到非极性或半极性的发展趋势长偏移 3.2 nm，效率下降 14.7%，表明其 QCSE得到了显著改善。由于半极性Micro-LED的发射波长稳定，RGB 像素随着电流密度的变化几乎没有色移，并获得了较宽的色域（114.4%NTSC 和85.4%Rec.2020）。此外，新兴的量子点材料因其发射光谱可覆盖整个可见光波段等优点对Micro-LED 的全彩显示有很大的提升63。Han等64首次开发了气溶胶喷射打印技术，将 RGB量子点喷涂到芯片尺寸为 35 m35 m