由于引入了一種產(chǎn)生多孔材料的簡單步驟，GaN基的紅色microLEDs現(xiàn)在可以提供與GaN基的藍色和綠色microLEDs相當?shù)男阅?

在我們的一生中，顯示器一直在不斷演變。我們中的許多人已經(jīng)見證了從基于陰極射線管的電視向以液晶顯示的電視轉(zhuǎn)變，最初的背光是冷陰極熒光燈，而現(xiàn)在是發(fā)光二極管（LED）。在接下來的幾年里，我們將看到支持虛擬現(xiàn)實、抬頭顯示和增強/混合現(xiàn)實應(yīng)用的近眼顯示器的銷售增長。這些新興的技術(shù)形式對顯示性能提出了更嚴格的要求。在這種需求的推動下，新的顯示技術(shù)正在快速發(fā)展，其中microLEDS處于領(lǐng)先地位。這些微型奇跡是下一代顯示器的領(lǐng)跑者，因為與基于LCD、LED、miniLEDS和有機LED的競爭技術(shù)相比，它們提供了一系列優(yōu)越性：卓越的亮度、高對比度、無與倫比的效率、更長的使用壽命和更高的穩(wěn)定性。更重要的是，基于微米尺度，它們可以提供更高的圖像分辨率。為了匹配人類的視覺感受器并提供真正逼真的圖像，全彩色顯示器需要將紅色、綠色和藍色發(fā)射源相結(jié)合。這一要求促使設(shè)計者采用了可以獨立調(diào)制的紅、綠、藍光的發(fā)射器。理想情況下，這可以通過一個簡單、輕量級的顯示架構(gòu)來實現(xiàn)，該架構(gòu)能夠滿足下一代顯示器的所有標準。在這樣的架構(gòu)中，通常采用基于InGaN的microLEDS作為高效藍光和綠光發(fā)射源。使用傳統(tǒng)方法，不可能在保持效率的同時將這些器件的發(fā)射波長延長到紅色，因此用于覆蓋該光譜的光源通常是AlInGaP基的microLEDS。再將其與發(fā)射藍色和綠色的InGaN microLEDS相結(jié)合，就可以提供一種制造全色顯示器的方法。不幸的是，這種混合材料的方法遠不夠理想，這給基于microLEDS顯示器的廣泛應(yīng)用帶來了幾個重大障礙。一個是與基于InGaN的器件相比，隨著器件尺寸的縮小，紅光AlInGaP基 LED的效率會下降得更加嚴重。這使得它很難滿足交替真實感和混合現(xiàn)實等應(yīng)用程序所要求的性能和像素大小。另一個與AlInGaP基 LED性能相關(guān)的問題是，隨著工作溫度的升高，其效率的下降遠遠超過了GaN基LED，從而增加了最終顯示器設(shè)計的復(fù)雜性和成本。除了那些與效率相關(guān)的標準所帶來的障礙外，還有與生產(chǎn)成本相關(guān)的問題。在微米尺度上混合多種材料系統(tǒng)需要開發(fā)復(fù)雜而昂貴的轉(zhuǎn)移技術(shù)，以達到將單個紅、綠、藍LED器件定位到所需的像素設(shè)計中的目的。這樣就大大增加了設(shè)備最終的制造成本，從而限制了這種方法在大眾市場的適用性。清除障礙為了解決這些問題，我們Porotech團隊（從劍橋氮化鎵中心分離出來的團隊）開發(fā)了一種高效提供所有三種原色的多孔InGaN平臺。實現(xiàn)InGaN的紅色發(fā)射并非易事，因為InGaN和GaN之間的晶格失配會導(dǎo)致晶格畸變。這一條件限制了InGaN量子阱中銦的比例，因此將發(fā)射光譜限制在了較短的波長。為了減緩這種由于高In組分所導(dǎo)致的應(yīng)力，我們引入了一種工程化多孔襯底。這使得更多的銦可以進入量子阱中，并最終將發(fā)射光的波長擴展到紅色。我們技術(shù)的好處不僅限于在同一InGaN平臺上實現(xiàn)所有三種顏色的明顯、關(guān)鍵的突破。我們方法的其他優(yōu)點是，它們解決了紅光效率（即尺寸問題），并且它們簡化了制造全色顯示器的轉(zhuǎn)移技術(shù)。此外，由于我們引入的孔隙是在表面下方的，表面保持完好—這意味著LED器件制造不需要調(diào)整其工藝或添加新的投入來迎合新器件制造的額外需求。還值得注意的是，通過引入這樣的應(yīng)變緩沖層，減少了晶圓彎曲，這簡化并提高了通過直接晶片到晶片鍵合生產(chǎn)的單片顯示器的良率。同時我們的工藝具有高度的可延展性和重復(fù)性，可確保整個晶圓內(nèi)、晶圓間以及批次之間的出色均勻性。分布布拉格反射器(DBR)是開發(fā)下一代光電子器件的重要組成部分。DBR由高折射率和低折射率材料交替組成，可以被認為是一維光子晶體。當將其集成到LED中時，DBR充當集成的反射鏡和/或濾光器，幫助引導(dǎo)和調(diào)節(jié)發(fā)射光波。除了提供高反射率和降低吸收損耗外，DBR理想情況下還應(yīng)該具有良好的導(dǎo)電性，允許高效地將電荷注入到器件中。DBR的一個很好的候選者是非極性的III族氮化物，這是一種結(jié)合了更高的輻射復(fù)合速率以提高器件效率的材料體系，具有獨特吸引力的性能，如發(fā)射強的線性偏振光等。將非極性DBR與傳統(tǒng)的極性LED一起使用，使這項技術(shù)適用于當今的大容量晶圓廠。傳統(tǒng)的通過外延法制備極性氮化物DBR是非常困難的，它涉及不同折射率的不同氮化物合金的交替層生長，以獲得非極性取向。問題是，沒有可用的合金可以與非極性GaN實現(xiàn)良好的晶格匹配，通常會導(dǎo)致裂片和低的反射率。有效克服這一問題的策略是制備非極性GaN基結(jié)構(gòu)的DBR，包括介孔DBR。這種形式的DBR有很多優(yōu)點，可以提供通過三種方式調(diào)整光譜響應(yīng)。除了調(diào)整層厚度和重復(fù)周期的數(shù)量（這對杠桿可以應(yīng)用于所有形式的DBR），其孔隙率也可以改變，從而導(dǎo)致折射率對比度的變化。我們的核心技術(shù)是基于介孔DBR，我們共花了幾十年的時間來研究和開發(fā)。我們提倡一步選擇性的電化學(xué)法進行多孔化(如圖1所示為該過程的圖解，以及由此產(chǎn)生的DBR微結(jié)構(gòu)的圖像)。該步驟可以室溫恒定電壓下在不使用紫外線照射的情況下進行，通過蝕刻電流信號監(jiān)測材料的去除情況。電化學(xué)過程從局部注入空穴開始，由施加正陽極偏壓驅(qū)動。在此條件下，交替的 n+-GaN 層被氧化。

圖1：(a)Porotech采用了一種相對簡單的電化學(xué)蝕刻裝置。插圖顯示了一張樣品在室內(nèi)燈光照明下蝕刻后的照片。(b) DBR 結(jié)構(gòu)示意圖。(c) 10 對 GaN/介孔-GaN DBR 結(jié)構(gòu)的橫截面掃描電子顯微鏡圖像

所得納米多孔 DBR 結(jié)構(gòu)的橫截面掃描電子顯微鏡圖像證實，只有 n+-GaN 層被蝕刻到介孔結(jié)構(gòu)中（見圖 1 (a)）。在浸沒在蝕刻溶液中的整個樣品上均勻地實現(xiàn)了蝕刻，證明了該過程的高度均勻性。當以這種方式處理成批的晶圓時，晶圓間和批次間保持高度的均勻性—證明了該方法的可擴展性及其對光電器件批量制造的適用性。選擇性多孔化工藝的主要優(yōu)點之一是，僅通過蝕刻 n+-GaN 層，模板表面在設(shè)計上保持不變。電化學(xué)多孔化前后模板的原子力顯微鏡圖像提供了這方面的證據(jù)（參見圖 2）。蝕刻可以通過在已生長材料中的納米級垂直路徑穿透未摻雜的 GaN 層（無需進行預(yù)圖案化）。

圖2.模板表面(a)電化學(xué)穿孔前和(b)后的原子力顯微鏡圖像，顯示光滑的表面和表面原子臺階保持不變。Z標度(從黑到白)：4 nm。

保持相同表面的一個實際含義是多孔晶片可以加工成 LED，而無需更改任何下游工藝?；蛘撸瑩Q句話說，芯片制造商可以利用多孔 DBR 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，而無需變更工藝線制造設(shè)備。設(shè)備演示我們已證明，多孔GaN模板可以使用行業(yè)標準工藝制備成LED，并且由于介孔DBR結(jié)構(gòu)，所產(chǎn)生的器件提供了更高的發(fā)光效率。我們最初的演示包括使用MOCVD進行GaN模板的生長和LED的再外延。我們生長了一對位錯密度僅為3-6×108 cm -2，并由未摻雜和高摻氮的GaN交替層形成了潛在的介孔DBR結(jié)構(gòu)。我們在其中一個晶片上應(yīng)用了電化學(xué)多孔化過程，然后將兩者加工成藍色發(fā)射的p-i-n LED結(jié)構(gòu)(見圖3(a)的器件設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖，以及(b)和(c)的光學(xué)顯微照片，展示了非多孔和多孔樣品相對均勻的電致發(fā)光)。由于兩種結(jié)構(gòu)中發(fā)射的均勻性相似，得知再生模板中介孔DBR的存在不會顯著改變LED層的外延生長。

圖3.Porotech已加工的器件結(jié)構(gòu)(a)無介孔LED(b)和介孔DBR LED(c)

對這兩種類型的LED都進行了電學(xué)和光學(xué)測量。不同驅(qū)動電流下的光輸出曲線圖表明，在DBR中引入孔隙率可以提高最大效率，并將效率下降的起始位置轉(zhuǎn)移到更高的電流密度(參見圖4)。在兩個樣品中，峰值波長隨注入電流的移動是相似的。

圖4.由Porotech制造的在多孔和非多孔襯底上加工的器件光電流(L-I)測量結(jié)果 (上)。峰位曲線顯示隨著注入電流的增加呈現(xiàn)類似的藍移(下) 。

通過展示類似的性能和更高的效率，我們已經(jīng)提供基于InGaN的藍色、綠色以及關(guān)鍵的紅色microLEDs技術(shù)和產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。使用多孔結(jié)構(gòu)的另一個好處是減少了晶圓彎曲—由于引入了孔洞，減少了30%以上的應(yīng)變。降低彎曲有助于確保在外延片生產(chǎn)、芯片加工和晶片到晶片鍵合等環(huán)節(jié)中獲得高成品率的LED，特別是對于microLEDs顯示器，具有高于微米級的精度是至關(guān)重要的。一場紅色革命經(jīng)過進一步的發(fā)展，我們已經(jīng)使用多孔平臺提供了世界上第一個基于InGaN的原型紅色microLEDs。這一具有程碑意義的突破消除了整個行業(yè)的一個關(guān)鍵瓶頸。我們的多孔結(jié)構(gòu)緩解了由于InGaN和GaN之間的晶格失配而引入的應(yīng)變，并允許在不降低材料質(zhì)量的情況下引入更高組分的銦，使得發(fā)光波長紅移到640 nm(見圖5)。

圖5. Porotech使用其平臺技術(shù)展示了世界上第一個基于InGaN的紅色microLEDs。

我們使用多孔紅色 microLEDs 技術(shù)生產(chǎn)了世界上第一個基于 InGaN 的原生紅色微型顯示器（參見圖 6），它的有效區(qū)域?qū)蔷€為 0.55 英寸，分辨率為 960 x 540，相當于 2000 ppi。提供了初步和快速的演示，證明了我們技術(shù)的能力。若剝離藍寶石，預(yù)計該顯示器的亮度會增加并減少反向散射。

圖 6. Porotech 展示了世界上第一款原生 InGaN 紅色 micro-LEDs 顯示器。請注意，藍寶石并未被移除—因此可以通過進一步優(yōu)化來改善反向散射和亮度。

通過這個演示，我們首次展示了所有三個原色發(fā)光器件都可以用同一個工藝線生產(chǎn)。這一突破消除了與制造多材料體系顯示器相關(guān)的復(fù)雜性和成本。我們工作引起了廣泛的關(guān)注，基于單一材料系統(tǒng)的綠色、藍色和紅色的microLEDs將成為下一代顯示產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，使我們可以在MicroLED顯示的未來發(fā)展中貢獻關(guān)鍵力量。