研究背景
近年来，新型显示产业呈现出多种显示技术并行发展的态势，柔性显示、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)等新的应用需求，显示技术发展方向聚焦于高分辨率、全面屏、可折叠屏等，要求发光器件更加小型化、低能耗、高分辨。由于Micro-LED具有局域化发光、电流扩展均匀、饱和电流密度高、输出光功率密度高和光电调制带宽髙等优势，以小间距发光二极管Micro-LED为代表的新型LED，推动着显示照明技术的发展方向[1]。
关于Micro-LED的定义，至今没有国际统一标准，有一种是依据LED尺寸来定义，即芯片尺寸小于100 μm或者50 μm的LED定义为Micro-LED，另一种是根据芯片面积定义，即芯片面积小于2500 μm2来的LED为Micro-LED。Micro-LED显示作为自主发光显示，其芯片紧密排列成显示的像素阵列，每颗Micro-LED芯片作为显示屏的一个像素点，每颗Micro-LED芯片都能被独立地驱动。Micro-LED显示比LCD功耗更低，结构更简单，体积更小；相比OLED，Micro-LED无机的发光单元比OLED的有机发光单元寿命更长。如图1：
图1.LCD、OLED和Micro-LED 显示面板的结构图[2]
Micro-LED相比于普通LED尺寸相差10倍以上，通过光刻、刻蚀或巨量转移技术等方法，在同一基底上集成具有一定周期性的高密度、微尺寸的LED芯片的二维阵列，并通过两种驱动方式——有源驱动技术和无源驱动技术，实现对显示阵列的驱动[2]。随着像素尺寸不断减小，器件的分辨率、对比度、亮度不断提高，许多新的问题开始显现，LED尺寸的不断减小，带来的尺寸效应愈发凸显，表现为Micro-LED在高电流密度下发光效率衰减愈加严重，这主要与GaN微米柱制备过程中刻蚀过程产生的侧壁缺陷有关[3][4]。电子和空穴容易在侧壁缺陷处发生非辐射复合，从而降低能量转换效率，导致Micro-LED发光效率衰减[5]。
目前对于这种现象的处理，研究人员设法改进反射镜结构[6]、透明电极[7]、设计核壳[8]等结构，但这些方法只是一定程度上提高光子提取效率，并没有从根本上解决非辐射复合问题，并且工艺复杂，成本较高。从产生侧壁缺陷的源头寻找解决办法，即探索更加有效的刻蚀方法，是综合提高Micro-LED的发光效率最直接的方法。
Micro-LED的侧壁边缘效应
因受限于获得高质量的GaN单晶材料，大部分GaN基LED都是制作在绝缘的蓝宝石衬底上，因此在GaN基LED制备中就必须将LED外延结构从表面去除部分材料至重掺杂的n-GaN，如图2所示，并分别在p-GaN和n-GaN材料上制备p型和n型电极。但由于GaN的化学键合能较高(8.92 eV/atom)，高的结合能和宽带隙使Ⅲ族氮化物材料本质上是化学惰性的，在常温下不受化学酸和碱等溶液的腐蚀，故用化学腐蚀法腐蚀GaN等材料，在腐蚀速率还是腐蚀的各向异性上并不满足大规模生产的要求。因此在GaN基LED的制备中常常采用干法刻蚀技术。
图2. Micro-LEDs的结构示意图
干法刻蚀技术
LED制备中，难免会引入损伤。如，等离子体中的异质元素会在离子的物理作用下注入到半导体材料中；电子或等离子体的轰击会引起晶体缺陷和化学键的断裂，从而引起晶格损伤；材料表面某种成分的首先溅射，形成非化学计量的表面；刻蚀生成物或其他污染物沉积在刻蚀表面和侧壁产生表面和侧壁污染等。这些现象都会给LED的刻蚀台面和侧壁带来一定的损伤，从而在材料的禁带中引入深能级，形成非辐射复合中心，影响器件的电学和光学特性。干法刻蚀主要分为以下5类：
物理刻蚀 即通过等离子体轰击或溅射来刻蚀物体表面
化学刻蚀 即采用具有活泼化学性质的气体与物体表面发生化学反应达到刻蚀目的
物理和化学刻蚀 该方法综合物理和化学刻蚀二者优点，又具有各向异性特点
光与化学刻蚀 利用注入的光子促使表面发生化学反应，从而生成挥发性气体
电子束与化学刻蚀 利用电子束和化学性活泼的气体使被刻蚀材料变成挥发性产物
随着芯片尺寸的缩小，边缘效应是Micro-LED在蚀刻工艺中不可避免的一个问题。
Micro-LED的光电转换效率
其主要由内量子效率(IQE)和光提取效率(LEE)决定。前者定义为在有源区域产生的光子与在有源区域注入的电子空穴对的比值；后者定义为发射到自由空间的光子与在有源区域产生的光子的比率。IQE通常与外延层的质量有关，通过降低缺陷密度，特别是位错，可以获得较高的IQE。目前GaN基Micro-LED的IQE被提高到接近100%以上，但LEE仍然很低。造成LEE低的主要原因是，从活性层发出的光从GaN中释放出来，GaN的折射率约为2.5，与空气的折射率(n=1)相差很大，这导致了在GaN和空气之间的界面上的活跃区域发出的大部分光发生全内反射(TIR)，只有约23%的逃逸锥中的光才能逃出[9]。
Micro-LED的发光效率
是由外量子效率(EQE)决定。外量子效率是指器件最终发射出来的光子数与注入的载流子数目之比。Micro-LED的EQE随着芯片尺寸的减小而显著降低，由于较小的芯片几何结构中的侧壁缺陷引起的泄漏电流或Shockley-Read- Hall (SRH)非辐射复合会更加显著[10][12]。因此提高EQE对Micro-LED的研究尤为重要。Younes Boussadi[11]等根据与温度相关的阴极发光测量得出的发射效率图（图3），在不同的温度区间，测量结果表明侧壁缺陷对发光的均匀性有很大影响。
图3. (a)和(b)分别在296K 和30K 处积分 CL 强度映射；(c)按比率 I (296K)/I (30K)计算的发射效率图
该团队估计在6×6μm2像素中，84.5%的像素的效率低于中心(图4)。从荧光积分强度的Arrhenius图确定的激活能表明，由于热辐射过程和侧壁缺陷的非辐射复合而造成的损失分别发生在像素的中心和边缘，并且从较大像素的时间分辨光致发光测量中提取的载流子寿命在距侧壁3μm处开始逐渐减小。
图4. (a)在296K 和30K 下的归一化强度分布; （b)从图3c 中提取的发射效率分布。在插图中，像素受影响区域的简化顶视图表示
Oh JT等人[13]研究了基于红色AlGaInP的红色μ-LED的光学效率随芯片尺寸的变化，发现LED的EQE随着芯片尺寸的减小而显著减小。随着芯片尺寸从350μm减小到15μm，理想性系数从1.47逐渐增加到1.95。这表明，较小的LED由于侧壁缺陷的Shockley-Read- Hall (SRH)非辐射复合而经历了较大的载流子损耗。此外，仿真结果表明在5A/cm2条件下，5对MQWs的结构的IQE比20对MQWs的LED高30%以上。
Dae-Hyun等人[12]研究了基于InGaN的绿色GaN基LED的电学和光学特性与V坑和芯片尺寸的关系。发现无论V坑如何，随着芯片尺寸的减小，在较高的电流密度下，峰值EQE都会减小。理想因子和S参数表明，较小的芯片在侧壁缺陷处由于SRH非辐射复合而产生了载流子损耗。
Hwang等人[7]也研究了蓝色InGaN基μ-LED的尺寸依赖性能，并报道了较小的μ-LED的峰值EQE低于较大的μ-LED。不同的EQE可以用蚀刻损伤引起的非辐射重组来解释。最小的μ-LED显示出更好的电流扩展，因此比最大的效率下降更低。
采用原子层沉积技术结合湿法刻蚀工艺，可以在一定程度上降低刻蚀对ITO层或p-GaN层造成损伤，缓解侧壁损伤效应，发光效率改善不高。对ITO层中间位置进行氧离子轰击，增加ITO层中间位置的导电性，而周围的导电性较低，有效避免边缘区域上下导电性能均较大产生的漏电现象、电流拥堵效应和热效应，提高发光效率，但是此方法工艺复杂。
通过目前的干法刻蚀技术无法避免侧壁效应。现行主流的方法是通过设计新型的芯片结构设计来降低侧壁效应的影响以此来提高发光效率。
参考文献
[1] 季洪雷, 张萍萍, 陈乃军,等. Micro-LEDs显示的发展现状与技术挑战[J]. 液晶与显示, 2021, 36(8):12.
[2] 邰建鹏. MicroLED的阵列设计制备及性能研究[D]. 北京工业大学.
[3] Boroditsky M , Gontijo I , Jackson M , et al. Surface recombination measurements on III–V candidate materials for nanostructure light-emitting diodes[J]. Journal of Applied Physics, 2000, 87(7).
[4] Bulashevich K A , Karpov S Y . Impact of surface recombination on efficiency of III‐nitride light‐emitting diodes[J]. physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters, 2016, 10(6):480-484.
[5] PA Alekseev, MS Dunaevskiy, VP Ulin, et al. Nitride Surface Passivation of GaAs Nanowires: Impact on Surface State Density[J]. Nano Letters, 2014.
[6] Chen G S , Wei B Y , Lee C T , et al. Monolithic Red/Green/Blue Micro-LEDss With HBR and DBR Structures[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2017.
[7] Latzel M , P Büttner, Sarau G , et al. Significant performance enhancement of InGaN/GaN nanorod LEDs with multi-layer graphene transparent electrodes by alumina surface passivation[J]. Nanotechnology, 2017, 28(5):055201.
[8] Zhmakin A I . Enhancement of light extraction from light emitting diodes[J]. Physics Reports, 2011, 498(4-5):189-241.
[9] Oh J T , Lee S Y , Moon Y T , et al. Light output performance of red AlGaInP-based light emitting diodes with different chip geometries and structures[J]. Optics Express, 2018, 26(9):11194.
[10] Dae-Hyun, Kim, Young, et al. Combined effects of V pits and chip size on the electrical and optical properties of green InGaN-based light-emitting diodest[J]. Journal of alloys and compounds, 796:146-152.
[11] Younes Boussadi, N´evine Rochat, et al. Investigation of sidewall damage induced by reactive ion etching on [J]. Journal of Luminescence, 234(2032)117937.
[12] Hwang D , Mughal A , Pynn C D , et al. Sustained high external quantum efficiency in ultrasmall blue III–nitride Micro-LEDss[J]. Applied Physics Express, 2017, 10(3):032101.
[13] Choi H W , MD Dawson, Edwards P R , et al. High extraction efficiency InGaN micro-ring light-emitting diodes[J]. Applied Physics Letters,
文中图片来源上述参考文献
