基于離子注入隔離的微縮化發光二極管陣列性能*

高承浩 徐峰 張麗 趙德勝 魏星 車玲娟 莊永漳 張寶順? 張晶

1) (長春理工大學光電工程學院,長春 085202)

2) (中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所,納米加工平臺,蘇州 215123)

3) (南京大學揚州光電研究院,揚州 225009)

基于F離子注入隔離技術實現一種新型微縮化發光二極管(micromicro-LED)陣列器件,并系統研究注入能量及發光孔徑對micro-LED陣列器光電性能的影響.研究結果表明:相比于F離子50 keV單次注入器件,50/100 keV兩次注入器件具有更好的光電性能,器件反向漏電降低8.4倍,光輸出功率密度提升1.3倍.同時,在不同的發光孔徑 (6,8,10 μm)條件下,器件反向漏電流均為 3.4×10–8 A,但正向工作電壓隨孔徑增大而減小,分別為 3.3,3.1,2.9 V.此外,器件不同發光孔徑的有效發光面積比 (實際發光面積與器件面積之比)分別為85%,87%,92%.與傳統臺面刻蝕micro-LED器件相比,離子注入隔離技術實現的micro-LED器件具有較低反的向漏電流密度、較高的光輸出密度及有效發光面積比.

1 引 言

微縮化發光二極管(micro-LED)具有高電流密度、高光輸出密度、高響應頻率、高響應帶寬和電流擴展均勻等優勢,在光顯示[1?3]、可見光通訊[4]、光鑷[5]及神經醫療[6]等領域發揮著重要作用.其中,在光顯示領域,與液晶顯示 (LCD)[7]、有機發光二 極 管 (OLED)[8?10]等顯示技術相比,micro-LED顯示技術具有高亮度、高對比度、高分辨率、高可靠性、長壽命、低能耗等優勢[10,11],被認為是新一代光顯示技術,在顯示屏幕、柔性顯示屏幕、頭戴顯示、增強及虛擬現實[12,13]等方面有著廣泛的應用前景.

通常,臺面刻蝕是實現氮化鎵 (GaN)基micro-LED器件間隔離的主要方法[14],但臺面刻蝕隔離不可避免地會引入側壁刻蝕損傷,同時產生側壁懸掛鍵[15],導致器件反向漏電流增大;另一方面,臺面刻蝕還會引入深能級缺陷,形成非輻射復合中心,使器件非輻射復合速率增大、外量子效率降低,從而減小器件有效工作面積[16,17];并且隨發光孔徑的減小,側壁損傷對器件上述性能的影響更加顯著,因此側壁損傷問題極大地限制micro-LED 器件的發展與應用.2012 年,Tian 等[18]研究micro-LED外量子效率與器件尺寸的關系,研究表明小尺寸micro-LED器件在低電流密度下,外量子效率主要受側壁損傷的影響;2017年,Hwang 等[19]研究不同鈍化方式對micro-LED器件的外量子效率影響,發現通過原子層沉積(ALD)的方法生長SiO2鈍化層可以有效減小側壁損傷引起的漏電與非輻射復合,從而增大了器件外量子效率.鑒于常規臺面刻蝕制備的micro-LED器件都存在嚴重的側壁損傷,所以有效降低或避免側壁損傷的產生是提高器件性能的一個重要途徑.

除了臺面刻蝕隔離,離子注入是目前實現GaN半導體器件有效隔離方法,該方法已成功應用于高電子遷移率晶體管(HEMT)器件中[20].離子注入隔離是將具有一定能量的離子注入到GaN材料中,可以精準地控制離子注入面積及深度,引起GaN材料的晶格損傷,并引入大量深能級缺陷,降低注入區域載流子濃度[21,22],形成可以達到電學隔離效果的高阻態區域.與臺面刻蝕隔離相比,離子注入隔離為平面工藝,可以避免側壁損傷引入和側壁懸掛鍵的產生,減少側壁非輻射復合中心和降低反向漏電流.因此本文針對避免臺面刻蝕造成的側壁損傷,提出一種通過氟(F)離子注入技術實現micro-LED陣列器件的新型制備方法.

2 器件結構制備及測試

本文中micro-LED陣列器件采用工作波長為463 nm的藍寶石襯底LED外延片,在不同離子注入能量下制備了 6,8,10 μm 三種發光孔徑陣列器件,陣列器件具體結構示意圖如圖1(a)所示,陣列包含25×25個發光孔,不同發光孔徑陣列中發光孔間隔分別為 14,12,10 μm.

圖1 (a) micro-LED 陣列結構圖;(b) 10 μm micro-LED 陣列表面 SEM 圖像Fig.1.(a) Schematic structure of micro-LED array;(b) SEM image of 10 μm micro-LED array surface.

器件具體制備工藝流程如下:首先通過倒裝鍵合技術,將LED外延片鍵合在硅(Si)襯底上,并使用激光剝離藍寶石襯底,形成垂直結構LED;然后利用感應耦合等離子體(ICP)刻蝕樣品至n-GaN,刻蝕出金屬鍵合層,將其作為micro-LED陣列p型電極;隨后通過F離子注入工藝對器件進行隔離,樣品 A為單次注入,注入能量為 50 keV,樣品B為兩次注入,注入能量分別為50,100 keV,以10 μm陣列為例,注入后樣品掃描電鏡(SEM)圖如圖1(b)所示;最后在n-GaN表面沉積200 nm的 ITO,并在 ITO 上蒸鍍 Ti/Au(50/150 nm)金屬作為n型電極,并在氮氣氛圍下300 ℃退火2 min.micro-LED 陣列樣品的電流-電壓 (I-V)電學特性通過安捷倫高壓探針臺B1505A測試,注入區域隔離區域方塊電阻通過圓形傳輸線模型(CTLM)表征,光輸出功率通過積分球測試系統測得.

3 實驗結果與討論

3.1 F離子注入能量對micro-LED陣列光電性能的影響

以6 μm發光孔徑的micro-LED陣列器件為例,在不同能量注入條件下,其光電特性如圖2所示,圖2(a)為器件I-V特性,插圖為樣品半對數坐標下反向I-V特性曲線,圖2(b)為光輸出密度-電流密度關系曲線.

發光孔徑為6 μm的micro-LED陣列器件在20 mA下正向工作電壓、–5 V時反向漏電流和2264 A/cm2時的光輸出密度如表1所示.

圖2 樣品 A和B 6 μm 陣列的 (a) I-V 特性和 (b) 光輸出密度-電流密度特性Fig.2.(a) The I-V and (b) light output power density-current density characteristics of 6 μm arrays of samples A and B.

表1 6 μm micro-LED 陣列光電性能參數Table 1.The photoelectric properties of 6 μm micro-LED array.

圖3 注入隔離micro-LED器件與臺面刻蝕器件 (a)反向漏電流和(b)光輸出密度比較Fig.3.Comparison of (a) reverse leakage current and (b) light output density between implanted isolated micro-LED devices and mesa etching devices.

對比表1中樣品A和B的各項光電特性參數可知:與樣品A相比,樣品B具有更好的光電性能,具體表現為正向工作電壓降低了11%,反向漏電流降低了88%,光輸出密度增大了23%.

圖3(a)為不同課題組臺面刻蝕制備的micro-LED器件反向漏電流密度,圖3(b)為光輸出密度,可以看出,離子注入制備的micro-LED陣列器件與臺面刻蝕器件相比,反向漏電流密度與光輸出密度已經達到文獻報道水平.

進一步,通過SRIM軟件模擬了不同能量F離子注入條件下注入損傷與注入深度的關系[30],如圖4 所示,可以看出:在 50和100 keV 能量下分別進行F離子注入,注入后損傷峰值分別出現在 80 nm和182 nm 處,表明單次注入只對 n-GaN 部分區域實現了隔離,在 50 keV 注入時,對較淺區域起到隔離,在 100 keV注入時,對較深區域實現了隔離;50/100 keV能量F離子兩次注入后,損傷峰值出現合并,這使得F注入隔離的整體損傷增大,有利于提升器件的電學隔離效果.由上述分析可知,不同能量下離子注入損傷峰值存在明顯差異,且離子注入次數對損傷峰值也產生了顯著影響,因此根據SRIM模擬結果初步判斷單次注入隔離不完全是導致樣品A性能較差的主要原因.

此外,通過CTLM測試驗證不同能量F離子對注入區域隔離效果的影響,圖4為CTLM測試原理圖.如圖5 所示,內圓半徑 r0為 70 μm,且不隨位置變化,外圓半徑為r1從小到大依次分別為80,85,90,95,105,120 μm.

圖4 SRIM模擬F離子不同注入能量下產生的損傷與注入深度關系Fig.4.The relationship between damage and implantation depth of F ion with different implantation energies with SRIM simulation.

圖5 CTLM 測量原理圖Fig.5.Schematic of CTLM test.

圓環內總電阻RT可表示為

其中RSH為方塊電阻,LT為傳輸距離.

通過方程(2)可以擬合出F離子50 keV及50/100 keV注入區域CTLM線性曲線,如圖6所示,擬合線性曲線方程分別為:

結合擬合方程(2),(3),(4)計算出F離子單次注入及兩次注入區域方塊電阻RSH分別5.07×109Ω/□、2.22×1010Ω/□.同理,在無 F 離子注入n-GaN表面做出CTLM測試圖形,并通過上述方法測得無F離子注入n-GaN的方塊電阻,約為732.5 Ω/□.

結合CTLM測試及SRIM軟件模擬結果可知:F離子注入n-GaN后,注入區域方塊電阻增大了約106—107倍;單次注入對n-GaN隔離不完全,導致注入區域方塊電阻較小,其方塊電阻僅為兩次注入區域的25%.這說明了單次注入時樣品A的隔離效果較差,從而致使樣品漏電流偏大、光輸出密度偏小.

圖6 CTLM 線性擬合曲線 (a) 50 keV 能量注入;(b) 50/100 keV 能量注入Fig.6.The CTLM linear fitting curve at (a) the implantation energy of 50 keV and (b) 50/100 keV.

3.2 micro-LED發光孔徑對其光電性能的影響

進一步測試樣品 B 中 6,8,10 μm 不同發光孔徑micro-LED陣列電學性能.I-V特性曲線如圖7所示,插圖為樣品半對數坐標下的反向I-V特性曲線.從圖7可以得出:隨著器件發光孔徑的減小,micro-LED陣列正向工作電壓從2.95 V增大到3.26 V,串聯電阻分別為 14.3,18.5,22.2 Ω,反向漏電流基本相同,約為 3.40×10–8A,且不隨發光孔徑的變化而出現明顯差異,說明micro-LED陣列反向漏電流只與離子注入隔離條件有關,與發光孔徑無關.

圖7 不同發光孔徑陣列 I-V 特性曲線Fig.7.I-V characteristics of the different emission aperture arrays.

樣品B不同發光孔徑陣列在20 mA電流下實際發光情況如圖8所示,可以看出不同發光孔徑下的micro-LED陣列都具有良好的隔離效果,且發光效果較為均勻.

圖8 20 mA 下 (a) 6 μm,(b) 8 μm,(c) 10 μm 發光孔徑陣列發光圖像Fig.8.Light-emitting aperture arrays of (a) 6 μm,(b) 8 μm,and (c)10 μm at 20 mA.

表2為單顆發光孔徑實際發光效果,可以看出器件實際發光孔徑小于設計的發光孔徑,減小了約0.47 μm,主要原因是發光孔邊緣區域產生了0.24 μm 的注入損傷,并且隨發光孔徑的減小,有效發光面積比(S1/S2)從92%減小到85%;此外,10 μm臺面刻蝕隔離器件存在約 0.5—1.1 μm的側壁損傷,S1/S2僅為 (70±10)%[17];對比離子注入隔離器件與臺面隔離器件實際發光效果可以得出,F離子注入后對邊緣產生的損傷減小了0.26—0.86 μm,S1/S2提高了 11%—31%,表明 F 離子注入隔離可有效提高了micro-LED器件的有效發光面積.

表2 樣品B單顆發光孔徑實際發光情況Table 2.The actual emission condition of single light-emitting aperture in sample B.

4 總 結

針對避免micro-LED臺面刻蝕引起的側壁損傷,提出一種通過F離子注入實現micro-LED器件電學隔離的方法,并成功制備出 6,8,10 μm 3種發光孔徑陣列器件.F離子注入隔離避免了側壁損傷與側壁懸掛鍵產生,減少了側壁非輻射復合中心與反向漏電流,增大了有效發光面積.通過I-V特性測試、CTLM測試及光輸出功率測試,研究了F離子不同注入能量及發光孔徑對陣列光電性能的影響.研究發現,對于 6 μm發光孔徑陣列器件,不同F離子注入條件對陣列器件性能具有較大的影響,F離子兩次注入條件下的陣列器件具有更低的反向漏電流 (3.4×10–8A)、更高的光輸出密度器件(40.59 W/cm2),注入隔離區域具有更高的方塊電阻 (2.22×1010Ω/□),且在相同注入能量下,器件反向漏電流不隨發光孔徑變化而變化;實際發光面積與器件面積比最高為92%,比相同尺寸臺面刻蝕隔離器件提高了11%—31%.研究結果表明,F離子兩次注入相比單次注入具有更好的電學隔離效果,并且與臺面刻蝕隔離micro-LED器件相比具有較低反的向漏電流密度、較高的光輸出密度、更高的有效發光面積.因此在F離子注入隔離micro-LED器件基礎上,我們將進一步研究不同離子注入對器件反向漏電流、光輸出密度、有效工作面積等性能的影響.