基于離子注入隔離的微縮化發(fā)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(shù)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(shù)實現(xiàn)一種新型微縮化發(fā)光二極管(micromicro-LED)陣列器件,并系統(tǒng)研究注入能量及發(fā)光孔徑對micro-LED陣列器光電性能的影響.研究結(jié)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(fā)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(fā)光孔徑的有效發(fā)光面積比 (實際發(fā)光面積與器件面積之比)分別為85%,87%,92%.與傳統(tǒng)臺面刻蝕micro-LED器件相比,離子注入隔離技術(shù)實現(xiàn)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(fā)光面積比.

1 引 言

微縮化發(fā)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(yōu)勢,在光顯示[1?3]、可見光通訊[4]、光鑷[5]及神經(jīng)醫(yī)療[6]等領域發(fā)揮著重要作用.其中,在光顯示領域,與液晶顯示 (LCD)[7]、有機發(fā)光二 極 管 (OLED)[8?10]等顯示技術(shù)相比,micro-LED顯示技術(shù)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(yōu)勢[10,11],被認為是新一代光顯示技術(shù),在顯示屏幕、柔性顯示屏幕、頭戴顯示、增強及虛擬現(xiàn)實[12,13]等方面有著廣泛的應用前景.

通常,臺面刻蝕是實現(xiàn)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(cè)壁刻蝕損傷,同時產(chǎn)生側(cè)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(fā)光孔徑的減小,側(cè)壁損傷對器件上述性能的影響更加顯著,因此側(cè)壁損傷問題極大地限制micro-LED 器件的發(fā)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(guān)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(cè)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(fā)現(xiàn)通過原子層沉積(ALD)的方法生長SiO2鈍化層可以有效減小側(cè)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(guī)臺面刻蝕制備的micro-LED器件都存在嚴重的側(cè)壁損傷,所以有效降低或避免側(cè)壁損傷的產(chǎn)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(xiàn)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?yún)^(qū)域載流子濃度[21,22],形成可以達到電學隔離效果的高阻態(tài)區(qū)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(cè)壁損傷引入和側(cè)壁懸掛鍵的產(chǎn)生,減少側(cè)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(cè)壁損傷,提出一種通過氟(F)離子注入技術(shù)實現(xiàn)micro-LED陣列器件的新型制備方法.

2 器件結(jié)構(gòu)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(fā)光孔徑陣列器件,陣列器件具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示,陣列包含25×25個發(fā)光孔,不同發(fā)光孔徑陣列中發(fā)光孔間隔分別為 14,12,10 μm.

圖1 (a) micro-LED 陣列結(jié)構(gòu)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(shù),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(jié)構(gòu)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?yún)^(qū)域隔離區(qū)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(tǒng)測得.

3 實驗結(jié)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(fā)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(shù)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(guān)系曲線.

發(fā)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(shù)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(shù)可知:與樣品A相比,樣品B具有更好的光電性能,具體表現(xiàn)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(jīng)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(guān)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(xiàn)在 80 nm和182 nm 處,表明單次注入只對 n-GaN 部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了隔離,在 50 keV 注入時,對較淺區(qū)域起到隔離,在 100 keV注入時,對較深區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了隔離;50/100 keV能量F離子兩次注入后,損傷峰值出現(xiàn)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(shù)對損傷峰值也產(chǎn)生了顯著影響,因此根據(jù)SRIM模擬結(jié)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?yún)^(qū)域隔離效果的影響,圖4為CTLM測試原理圖.如圖5 所示,內(nèi)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(chǎn)生的損傷與注入深度關(guān)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(huán)內(nèi)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?yún)^(qū)域CTLM線性曲線,如圖6所示,擬合線性曲線方程分別為:

結(jié)合擬合方程(2),(3),(4)計算出F離子單次注入及兩次注入?yún)^(qū)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(jié)合CTLM測試及SRIM軟件模擬結(jié)果可知:F離子注入n-GaN后,注入?yún)^(qū)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?yún)^(qū)域方塊電阻較小,其方塊電阻僅為兩次注入?yún)^(qū)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(fā)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(fā)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(shù)坐標下的反向I-V特性曲線.從圖7可以得出:隨著器件發(fā)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(lián)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(fā)光孔徑的變化而出現(xiàn)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(guān),與發(fā)光孔徑無關(guān).

圖7 不同發(fā)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(fā)光孔徑陣列在20 mA電流下實際發(fā)光情況如圖8所示,可以看出不同發(fā)光孔徑下的micro-LED陣列都具有良好的隔離效果,且發(fā)光效果較為均勻.

圖8 20 mA 下 (a) 6 μm,(b) 8 μm,(c) 10 μm 發(fā)光孔徑陣列發(fā)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(fā)光孔徑實際發(fā)光效果,可以看出器件實際發(fā)光孔徑小于設計的發(fā)光孔徑,減小了約0.47 μm,主要原因是發(fā)光孔邊緣區(qū)域產(chǎn)生了0.24 μm 的注入損傷,并且隨發(fā)光孔徑的減小,有效發(fā)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(cè)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(fā)光效果可以得出,F離子注入后對邊緣產(chǎn)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(fā)光面積.

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

4 總 結(jié)

針對避免micro-LED臺面刻蝕引起的側(cè)壁損傷,提出一種通過F離子注入實現(xiàn)micro-LED器件電學隔離的方法,并成功制備出 6,8,10 μm 3種發(fā)光孔徑陣列器件.F離子注入隔離避免了側(cè)壁損傷與側(cè)壁懸掛鍵產(chǎn)生,減少了側(cè)壁非輻射復合中心與反向漏電流,增大了有效發(fā)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(fā)光孔徑對陣列光電性能的影響.研究發(fā)現(xiàn),對于 6 μm發(fā)光孔徑陣列器件,不同F(xiàn)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(qū)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(fā)光孔徑變化而變化;實際發(fā)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(jié)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(fā)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.