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本文由论文作者团队投稿
硅衬底GaN基Micro-LED外延片具有大尺寸、衬底易剥离、与CMOS工艺兼容等核心优势，被公认为Micro-LED微显示技术的最佳产业化路线。图1a展示了4英寸硅衬底GaN基Micro-LED外延片的实物照片和结构示意图，研究团队开发了一种“Ga原子表面活性剂辅助生长”方法，在1100℃中等温度条件下生长高质量AlN缓冲层，并制备出具有低位错密度（~5.25×108cm-2）、低翘曲（16.7 μm）和优良波长均匀性（标准差0.939 nm）的绿光Micro-LED外延结构（如图1b-1d）。该技术已成功拓展至6、8及12英寸硅衬底GaN晶圆。
图1：（a）4英寸外延片实物图及外延结构示意图；（b）GaN（002）/（102）双晶的HRXRD摇摆曲线；（c）和（d）分别为外延片翘曲度和光致发光主波长mapping图
基于高质量硅衬底GaN基绿光外延材料，研究团队开发了一种Micro-LED侧壁的湿法修复和粗化技术，利用碱性溶液对GaN材料极性面和非极性面的腐蚀速率存在各向异性的特点，成功去除了Micro-LED侧壁刻蚀损伤，并结合原子级侧壁钝化，有效降低了侧壁非辐射复合速率。该技术同时实现了出光面的深亚微米级粗化，有效提升了Micro-LED的光提取效率。如图2所示结果表明，湿法修复和粗化技术实现了Micro-LED亮度的大幅提升。像素尺寸为5 μm的Micro-LED微显示阵列最高发光亮度可达1000万尼特。
图2：（a）侧壁钝化处理后的发光像素SEM图；（b）Micro-LED器件亮度曲线图；（c）晶圆级光刻像素后的实物图（上），Micro-LED显示屏点亮照片（下），插图为30×30发光像素矩阵
研究团队进一步开发了垂直非对准键合集成技术，成功构建了与硅基CMOS紧密集成的可独立寻址的Micro-LED显示芯片，0.39英寸显示屏具有优异的亮度均匀性，标准差仅为720 Cd/m2(2.2%),像素密度高达3400 PPI，实现了图片和视频的高清显示。
图3：（a）Micro-LED与CMOS驱动集成示意图；（b）芯片像素单元FIB测试剖面图；（c）0.39英寸显示屏亮度均匀性mapping图；（d）湖南大学logo照片高清显示效果图。
本工作基于高质量的硅衬底GaN基Micro-LED外延材料，开发了包括湿法处理技术、原子级钝化技术和垂直非对准键合技术的IC级Micro-LED晶圆制程，成功制备出超高亮度的Micro-LED微显矩阵和与硅基CMOS集成的Micro-LED微显示屏，为高亮度GaN基Micro-LED微显示的规模化制造和应用提供了重要支撑。
论文信息
Wu, H., Lin, X., Shuai, Q. et al. Ultra-high brightness Micro-LEDs with wafer-scale uniform GaN-on-silicon epilayers. Light Sci Appl 13, 284 (2024).
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