近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）先進半導(dǎo)體實驗室團隊在深紫外（DUV）Micro-LED制造領(lǐng)域取得重要進展。研究團隊首次提出并驗證了一種基于選擇性熱氧化（Selective Thermal Oxidation, STO）的“自對準”像素化制造工藝，成功實現(xiàn)像素尺寸僅為2.3微米的獨立式與陣列式DUV Micro-LED器件。相關(guān)成果已發(fā)表在光學領(lǐng)域權(quán)威期刊 Optics Letters 上。

圖一. 采用 (a) 反應(yīng)離子刻蝕和 (b)選擇性熱氧化技術(shù)進行 Micro-LED制造的工藝流程。

背景闡述

如圖1(a)所示，在基于反應(yīng)離子刻蝕（RIE）的傳統(tǒng)Micro-LED制造工藝中，首先通過RIE形成Micro-LED臺面結(jié)構(gòu)，隨后需進行絕緣材料沉積，如SiO₂ 和 Al₂O₃等，以實現(xiàn)側(cè)壁鈍化并隔離n型與p型電極。接下來，通過光刻和刻蝕在臺面絕緣材料上開孔，暴露p-GaN表面，用以后續(xù)p接觸形成。在此過程中，高精度的光刻和套刻對準從而精確的把控孔徑的位置是至關(guān)重要的。這將確保在開孔后，n 型材料和臺面?zhèn)缺谌匀槐唤^緣材料覆蓋。若對準發(fā)生嚴重偏差，則開孔后n 型材料和臺面?zhèn)缺诒砻娼^緣材料殘缺，金屬p電極將可能與n型材料或側(cè)壁直接接觸，導(dǎo)致器件漏電甚至短路失效（如圖1(a)中步驟4*所示）。隨著Micro-LED尺寸不斷縮小，對套刻精度的要求急劇提升，顯著增加了工藝難度與制造成本。

解決方案

提出的新型STO方法可規(guī)避傳統(tǒng)工藝中對高精度光刻與套刻對準的依賴，極大簡化了微米級像素器件的制造流程。如圖一（b）所示，該方法首先在p-GaN表面沉積一層1.2 微米厚的PECVD SiO₂層，通過光刻與反應(yīng)離子刻蝕圖形化實現(xiàn)預(yù)定義的像素結(jié)構(gòu)。隨后，在空氣氣氛下于900°C退火2小時。SiO₂在此過程中充當氧化掩模，有效阻擋氧氣擴散，保護其下方的LED結(jié)構(gòu)并保留發(fā)光能力；而未被SiO₂覆蓋的區(qū)域則被氧化并破壞，形成絕緣層，從而自然劃定出發(fā)光像素。SiO₂圖形不僅決定了DUV Micro-LED的像素位置和尺寸，也在退火過程中實現(xiàn)了像素邊界的“自對準”界定。退火后，通過HF氣相去除SiO₂掩模，再完成后續(xù)金屬電極的沉積與退火，從而形成完整器件結(jié)構(gòu)?；谠摴に?，研究團隊成功制造了2.3 微米像素的獨立式及陣列式DUV Micro-LED器件。通過掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）以及陰極發(fā)光（CL）等表征手段，系統(tǒng)驗證了STO像素化機制的實現(xiàn)與空間分辨效果（如圖二所示）。

圖二.  (a) 像素陣列的SEM圖像；(b) 270 nm波長下的像素陣列CL圖像；(c) 像素界面的橫截面TEM圖像；(d) EDX測量的像素界面附近的氧元素分布。

器件性能

測試結(jié)果表明，該工藝制備的DUV Micro-LED具有良好的器件性能。例如，2.3 微米的獨立式DUV Micro-LED在10 A/cm²電流密度下呈現(xiàn)4.9 V較低的工作電壓。器件展現(xiàn)出良好的二極管特性和穩(wěn)定的發(fā)光性能。所制造的2.3 微米的陣列式DUV Micro-LED在未經(jīng)封裝條件下，on-wafer測量器件外量子效率為0.77%，在反向5V電壓下漏電流密度僅為4×10⁻⁷ A/cm²，表現(xiàn)出極大的性能潛力 （圖三）。

圖三.  像素尺寸為 2.3 微米的 DUV Micro-LED 陣列性能表征。(a) I-V 特性；(b) 0.4 至 50 mA 電流下的發(fā)射光譜；(c)光功率和 EQE 曲線。

團隊表示，選擇性熱氧化工藝在簡化Micro-LED像素化工藝的同時保持了良好的器件性能。相信這項工作將為深紫外Micro-LED制造帶來新的技術(shù)路徑，助力其在消毒滅菌、紫外通信、顏色轉(zhuǎn)換以及無掩膜光刻等關(guān)鍵應(yīng)用中的推廣與發(fā)展。

參考文獻

Zhiyuan Liu, Haicheng Cao, Tingang Liu, Patsy A. Miranda Cortez, Zixian Jiang, Kexin Ren, Na Xiao, Yi Lu, Xiao Tang, Zuojian Pan, and Xiaohang Li, "2.3-μm deep UV micro-LEDs fabricated by self-aligned selective thermal oxidation process," Opt. Lett. 50, 3628-3631 (2025)

 (來源：KAUST先進半導(dǎo)體實驗室團隊)