王麒， 楊波波*， 李威晨， 鄒軍，2*， 楊雪舟，徐華， 錢麒， 陳俊鋒， 李楊

（1.上海應用技術大學 理學院， 上海 201418；2.浙江安貝新材料股份有限公司， 浙江 湖州 313000；3.寧波朗格照明電器有限公司， 浙江 寧波 315000；4.廣東皇智照明科技有限公司， 廣東 中山 528400；5.惠創(chuàng)科技（臺州）有限公司， 浙江 臺州 318000；6.浙江綠龍新材料有限公司， 浙江 海寧 314419；7.西雙版納承啟科技有限公司， 云南 西雙版納 666100）

1 引言

氮化鎵（GaN）作為第三代照明材料，相比于第一代以硅（Si）、鍺（Ge）為制備材料和第二代以砷化鎵（GaAs）為制備材料有了很大的進展。GaN與第一、二代半導體材料相比［1］，具有高的擊穿場強、飽和電子漂移速度和導熱率等，且為直接帶隙結構，有利于其中的電子與空穴的復合。GaN基半導體材料包括氮化鋁（AlN）、氮化銦（InN）、GaN及其由此3種元素組成的合金化合物。GaN材料的禁帶寬度為3.4 eV，有利于制作大功率和高功率的器件。GaN基材料合金的禁帶寬度在0.7～6.2 eV范圍內連續(xù)變化，可覆蓋紫外到紅外的整個可見光波段。GaN基材料一般具有閃鋅礦和鉛鋅礦兩種狀態(tài)，閃鋅礦結構一般在低溫下成形，呈現出亞穩(wěn)態(tài)；而鉛鋅礦結構在常規(guī)下呈現出熱力學穩(wěn)定相，為穩(wěn)定態(tài)。

然而，由于傳統(tǒng)極性GaN基材料在應用中會因量子限制斯塔克效應（QCSE）、綠色間隙、載流子傳輸等問題而導致其發(fā)光效率不高，因此，研究人員將目光投入到非極性或半極性GaN基材料的研究中。1974年，美國的Pankove和Schade等［2］采用分子束外延（MBE）技術生長了非極性GaN外延材料，從此開啟了對非極性Ⅲ族氮化物的探索。2000年，Waltereit等［3］采用MBE在（100）面的r-LiAlO2襯底上生長出了非極性GaN器件結構，展示了m面的GaN量子阱（QWs）中沒有極化電場。2006年Zou等［4］采用金屬有機化學氣相沉積法（MOCVD）在襯底上生長了m面GaN層。

一種基于GaN基材料的微型LED（Micro-LED）現已受到越來越多的關注。Micro-LED一般被定義為小于100 μm［5］，其概念開始是Jiang團隊［6］在2000年成功制備了直徑為12 μm的Micro-LED芯片。傳統(tǒng)的LED芯片主要用于一般照明和顯示背光模塊。Mini-LED如今雖已大量商業(yè)化，能大幅提高液晶顯示器（LCD）畫質效果，適用于高動態(tài)范圍成像（HDR）和柔性顯示器等背光應用，但其本質仍為背光技術，因此仍然無法完全替代Micro-LED技術。與LCD和有機發(fā)光二極管（OLED）相比，Micro-LED具有體積小、自發(fā)光、分辨率高、寬色域、發(fā)光效率高、低功耗、色彩飽和度強、長壽命和響應速度快等優(yōu)點［7］。因此，Micro-LED現已在多領域得到應用，如高端電視顯示、可穿戴設備、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等，其產值也在大幅提升。根據市場研究機構Research and Markets的預測，全球Micro-LED市場在2027年將達到211.69億美元，年復合增長率約為81.5%［8］。此外，據Yole估計，到2025年，Micro-LED顯示屏市場將達到3.3億臺［9］。研究人員認為其是下一代顯示技術的候選者。

本文介紹了非極性GaN基材料相較于極性c面所特有的優(yōu)勢，從芯片成形、圖案刻蝕和陣列三方面介紹關于Micro-LED的技術改進，并對非極性或半極性Micro-LED器件的實際應用進行了展望。

2 非極性GaN基材料的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)c面LED相比，非極性GaN的QW中沒有極化電場，內量子效率（IQE）較強，載波函數之間的重疊機率大，只要缺陷密度沒有明顯增加，QW可以在不降低IQE的情況下增厚。非極性GaN可以緩解QW過薄導致的多量子阱（MQW）器件中載流子傳輸不平衡的問題，從而能得到很好的應用［10］。

2.1 量子限制斯塔克效應（QCSE）

GaN基材料的極化效應分為自發(fā)極化（PSE）和壓電極化（PPE），產生這兩種極化的機理并不相同。自發(fā)極化是晶體內部結構引起的極化效應。因為纖鋅礦結構不是中心對稱的，即單位晶胞的正負電荷中心在空間的垂直方向上并不重合，因此在每個晶胞中會產生一個垂直方向的偶極矩。對于完整晶體而言，多個偶極矩的共同作用可等效成一個內建電場，此電場的方向也是垂直的。壓電極化是由外力引起的極化效應。對于GaN等III族氮化物材料，這種外力主要來自于不同氮化物組成異質結時產生的相互之間的應力，應力根據方向的不同可以分為壓應力或者張應力。極化效應是自發(fā)極化與壓電極化的疊加效果。當材料受到張應力時，自發(fā)極化與壓電極化方向相同，極化效應表現出較強狀態(tài)；當材料受到壓應力時，自發(fā)極化與壓電極化方向相反，極化效應表現出較弱的狀態(tài)。這種極化效應對光電器件是有害的。LED等大多數光電器件主要依靠QW中電子與空穴的復合發(fā)光，由于極化效應的存在，使其能帶結構發(fā)生彎曲并且使電子與空穴在空間上發(fā)生分離，這便會減少電子與空穴在量子阱中的復合過程，從而導致光電器件的發(fā)光效率下降及發(fā)光波長的紅移，這便是量子限制斯塔克效應（QCSE）［11］。為了消除QCSE對光電器件發(fā)光效率的影響，研究者們逐漸將視野投入到了非極性GaN材料上。

2.2 綠色間隙

在AlGaInP體系中，紅色光譜區(qū)域可實現高IQE，但由于直接-間接帶隙躍遷，黃綠光譜區(qū)域的IQE峰值明顯較低。InGaN材料在整個可見光譜區(qū)域有直接帶隙，因此具有高IQE的InGaN/GaN基的藍色LED已經商用［12］。然而，無論采用何種材料，在綠色光譜區(qū)域內，氮化物基LED的效率顯著下降，這種綠色到黃色LED的低效率被稱為“綠色間隙”［13］。

導致氮化物基LED的低效率主要有兩個原因：外延生長困難和QCSE較強［10］。InN與GaN之間的晶格失配約為10%，為了增加LED的發(fā)射波長，QW中的銦含量必須增加。對于綠色光譜區(qū)域的發(fā)射，QW中的銦含量必須在30%左右，這就使得QW與未應變GaN襯底層之間存在約3%的晶格不匹配。當活性區(qū)應變較大時，易產生新的缺陷，如凹坑、位錯和堆積錯誤，從而使應變能降低。

QCSE還限制了LED在綠色光譜區(qū)域的性能。由于InGaN和GaN之間的極化不連續(xù)與晶格失配應變成正比，所以QW中銦含量較高的c面LED更容易受到QCSE的影響。與藍色LED相比，綠色LED具有更強的波長漂移和更低的IQE。外延生長中的挑戰(zhàn)可以通過應變管理［14］和進一步優(yōu)化生長條件［15］來解決。然而，QCSE的局限性源于材料的性質，這很難通過工程解決。因此，沿著沒有或減少內部極化的晶體方向生長器件，以進一步提高綠隙中的器件性能，具有重要的意義。

2.3 MQW LED中的載流子傳輸問題

c面LED的QW厚度較薄是為了保持良好的IQE，因此增加QW的數量是增加傳輸總容量的常用方法。然而，MQW LED的有效體積受到QW間載流子傳輸的限制。導帶中的電子比價帶中的空穴具有更小的有效質量和更高的遷移率，導致QW中的載流子分布不均勻［16］。

對于InGaN/GaN QW，導帶（ΔEc）的帶偏要高于價帶（ΔEv）的帶偏，故電子通過熱離子發(fā)射逸出QW應該有更高的勢壘。然而，有關實驗表明，空穴傳輸是c面MQW LED的主要限制因素［17］。生長出高度p摻雜的AlGaN層作為電子阻擋層（EBLs）上方的活性區(qū)域，以緩解電子泄漏問題［18］。Schubert等［19］將電子泄漏問題歸結為電子注入QW后停留時間短，很深的傳導偏移和較小的有效質量使注入QW的電子具有較高的初速度。在一個薄的QW中，注入的電子有很大的概率相干地穿過QW而不被聲子松弛捕獲。Sizov等［20］提出，長波長LED和激光二極管（LD）的主要輸運機制是彈道輸運，而不是常用的漂移-擴散輸運模型。上述研究均表明QW中極化相關電場有利于彈道輸運。QW/勢壘界面上的片狀電荷加速了電子注入，并顯著減少了它們的停留時間。對于注入QW的空穴，由于導帶偏移量小、有效質量大，其初始速度要低得多。孔洞在QW中發(fā)生彈道運輸的概率要小得多。對于那些通過熱離子發(fā)射或與聲子相互作用逃離QW的空穴，勢壘中強極化相關的電場阻止了相鄰QW之間的空穴注入，導致大多數注入的空穴填充在最靠近p側的QW中。

為了提高c面MQW LED的空穴注入效率，人們提出了許多勢壘結構，如摻Mg勢壘［21］、InGaN勢壘［22］、成分梯度InGaN勢壘［23］等。然而，摻鎂會導致鎂擴散到QW中，降低器件的IQE，而使用InGaN勢壘則會導致應變管理問題。由于非極性和半極性LED沒有或減少了極化電場，與c面LED相比，空穴注入效率得到了提高［24］。

2.4 效率下降問題

雖然在低注入電流密度下具有高IQE峰值的LED已經上市，但隨著注入電流的增加，其效率會迅速下降，這種隨著注入電流密度的增加IQE惡化的現象被稱為“效率下降”［10］。為了增加商用LED的總輻射通量，人們增大了總芯片面積而非提高電流密度，雖然這樣制造成本有所增加，但效率得到了保證。因此，解決LED的照明效率下降問題迫在眉睫。

Lumileds認為俄歇復合是效率下降的主要原因［25］。俄歇復合是一種非輻射復合過程，其速率與材料中載流子密度n的立方成正比。Lumileds觀察到，隨著激發(fā)功率的增加，InGaN層的光致發(fā)光（PL）效率有所下降。此實驗在零偏置條件下進行，以排除有源區(qū)域載流子動力學的影響。他們給出的結論是，無論器件的設計如何，下降都是材料的固有屬性。UCSB的Kioupakis等人［26］用InGaN中俄歇重組系數（C）的第一性原理計算支持了這一結論。有人認為聲子輔助空穴-空穴-電子的俄歇復合過程在高載流子密度下起主導作用，特別是在長波長的發(fā)射中。Lumileds理論提出的解決方案是使用較厚的InGaN QW來降低有源區(qū)的載流子密度［27］。Li等人［28］觀察到，通過將QW厚度從2.5 nm增加到13 nm，c面LED的峰值效率從10 A/cm2提高到200 A/cm2，這與Lumileds的觀點一致。

然而，倫斯勒理工學院的研究人員認為，高注入電流下的電子泄漏是效率下降的主要因素，而非俄歇復合。在QW/勢壘界面上，由于電子的有效質量較小且存在片狀載流子，因此電子被掃過了有源區(qū)域。那些未被QW捕獲的電子最終會消失在有源區(qū)域之外，導致在高注入下效率降低。三星公司使用了四元（Al，In，Ga）N合金作為勢壘，以匹配勢壘和QW之間的極化［29］。在設計氮化材料的極化和帶隙時，使用四元合金提供了另一個自由度。當勢壘和量子阱的極化相同時，可以消除界面處的片狀電荷。弗吉尼亞聯邦大學的研究人員［30］設計了具有階梯式電位的QW以減輕熱電子的影響，效率有所提高。Wang等［31］在MQW c面LED中使用了漸變InGaN勢壘來改善空穴傳輸，當QW中有更均勻的載流子分布時，下降問題得到了改善。使用原子探針斷層掃描（APT）［32］的研究表明，QW中銦成分的波動可能是光譜展寬的原因。然而，更高的載流子密度會增強俄歇復合且較小的活動體積也會增加溢流的機率。Micro-LED由于尺寸小、散熱好，與一般大尺寸LED僅能承受幾十或幾百A/cm2的飽和電流密度相比，Micro-LED更適合高的注入電流密度環(huán)境［33］。

3 Micro-LED的改進技術

對于顯示器件而言需具備以下幾個重要的性能指標：（1）高動態(tài)范圍（HDR）和高環(huán)境對比度（ACR）［34］；（2）高分辨率；（3）寬色域［35］；（4）寬視角和不明顯的角度色移［36］；（5）快速的運動圖像響應時間（MPRT）［37-38］；（6）低功耗；（7）輕薄級系統(tǒng)與低成本。已有研究證明，Micro-LED顯示器滿足了高亮度（＞10 000 000 cd/m2）［39］、高PPI（＞5 000）［40］、快速MPRT、低功耗和長壽命的所有要求［41］。然而，Micro-LED目前依然面臨著巨量轉移、晶圓鍵合和全彩工藝的問題，提高其良率變得尤為迫切，而采用芯片成形、圖案藍寶石襯底（PSS）、空腔陣列（AVA）和表面紋理等技術使得Micro-LED的光提取效率有了不斷提高。

3.1 芯片成形

目前GaN材料與器件主要在藍寶石襯底上生長和制備，這種在不同襯底上外延的方法稱為異質外延。異質外延導致的晶格失配會使生長的材料具有較高的缺陷密度，同時也會產生較大的應力［42-43］。同質外延技術被認為是非極性或半極性外延的理想解決方案，然而同質外延的自支撐非極性面GaN襯底仍然存在尺寸小、價格昂貴的問題。制備高質量非極性GaN的方法一般采用或借鑒異質外延c面GaN的方法（如圖1所示），異質外延的非極性GaN中仍存在大量的缺陷［44］。這種表面缺陷的存在會產生非輻射復合，在外延時有如位錯或蝕刻坑等缺陷會導致垂直GaN p-n二極管的反向泄漏的問題［45］，且隨LED尺寸縮小，缺陷會嚴重影響器件的性能。因此尋找一種簡便而又有效的制備高質量非極性GaN外延的方法是十分必要的。研究者們在芯片上采用納米線或納米球結構，通過異質外延方法來解決缺陷位錯問題。

圖1 GaN晶體結構的c面、a面、m面及r面。Fig.1 c-plane， a-plane， m-plane and r-plane of GaN crystal structure.

Lu等［46］報道了一種納米線（NWs）上的非極性GaInN/GaN多量子殼（MQSs）結構（圖2）。通過MOCVD的選擇性生長，在n型GaN/藍寶石模板上制備了這種NW結構。實驗表明，MQS NWs的最佳生長條件為3對MQS，其中GaInN/GaN在750 ℃下分別生長4.3 min、21.2 min。此外，在低溫生長或長時間生長的NW樣品中，富In薄片的形成是由于r面向結方向擴散的前驅體和對應物上撞擊的吸附原子誘導的過度生長。隨著GaN勢壘厚度的增加，r面和m面交界處富In液滴的形成受到抑制。該結果證明了實現高發(fā)射強度、無位錯m面同軸NWs的可行性，對于提高基于NWs的白光和Micro-LED的性能有很大的前景。

圖2 NW樣品a1，a2和a3的平面（ai）～（ci）和截面（aii）～（cii）SEM圖像，其中MQS分別在730 ℃、740 ℃和750 ℃下生長；（aiii）～（ciii）樣本對應的CL映射圖像；（d） NW樣品的掃描CL譜［46］。Fig.2 （ai）～（ci） Planar and （aii）～（cii） cross-sectional view SEM images of the NW samples a1， a2， and a3， where the MQS were grown at 730 ℃， 740 ℃， and 750 ℃， respectively. （aiii）～（ciii） Corresponding CL mapping of the samples； （d）Survey-scanned CL spectra of the NW samples［46］.

圖3 不同沉積速率（a） 0.15 mm/min，（b） 0.3 mm/min，（c） 0.6 mm/min的二氧化硅納米球沉積在GaN/藍寶石模板上的SEM圖像；（d，g）多層、（e，h）密實填充ML和（f，i）松散填充ML的二氧化硅納米球完全凝聚樣品的平面SEM和室溫全色CL圖像［47］。Fig.3 SEM images of silica nanospheres deposited on a GaN/sapphire template with different deposition rates （a） 0.15 mm/min， （b） 0.3 mm/min，（c） 0.6 mm/min. Plan-view SEM and roomtemperature panchromatic CL images of fully coalesced samples with （d，g） multilayer， （e，h） densely packed ML， and （f，i） loosely packed ML of silica nanospheres［47］.

3.2 圖案刻蝕技術

采用圖形襯底生長無極性GaN有助于降低無極性GaN外延層的缺陷和增加光提取效率。研究者也嘗試在外延生長過程中在GaN外延層中插入SiNx中間層，以提高外延層的結晶質量［49］。這種獲得高質量GaN外延、降低缺陷密度的方法主要通過以下兩個手段：一是利用圖形襯底或者插入層來減少缺陷的產生與傳播；二是利用橫向生長來使位錯彎曲。圖形襯底的引入可以有效達到減少缺陷的目的，合適的圖形襯底也可以獲得較大的橫向生長空間。然而，芯片側壁損傷效應也是Micro-LED效率下降的一個重要因素。在所有方法中，使用原子層沉積的側壁鈍化被認為是抑制漏電流和表面缺陷的最有效技術［50-51］。Wong等［52］正是采用化學處理和原子層沉積相結合的方法使Micro-LED的理想因數從3.4提高到2.5。結果表明，在干法刻蝕后，通過適當的側壁處理可以解決尺寸依賴效率的問題。此外，濕化學處理，如氫氧化鉀和硫化銨，已被用于改善光電性能，并減少傳統(tǒng)LED干法刻蝕造成的側壁損傷［53］。

圖5 在圖案藍寶石襯底上生長的GaN的光學顯微鏡圖像。（a） CMP工藝前和（b） CMP工藝后；（c） CMP工藝后的GaN/藍寶石的2 in（1 in=2.54 cm）圖像；（d）掃描面積為10 μm×10 μm的AFM圖像［54］。Fig.5 Nomarski optical microscope images of GaN grown on the patterned sapphire substrate.（ a）Before and （b） after the CMP process； （c） Photo of a 2 in（1 in=2.54 cm） GaN/sapphire after the CMP process； （d） AFM image with a scanning area of 10 μm×10 μm［54］.

Kong等［55］以有圖案的藍寶石為襯底，使用c面GaN平面藍寶石襯底（PSS）技術，生長了缺陷密度較低的非極性a面GaN（a-GaN）脫皮層（如圖6所示）。初始GaN沿半球圖案的脊部拉長，顯示出不同的晶體取向，這是從平面藍寶石襯底區(qū)域快速沉積的橫向過度生長的結果。由于缺陷的傾斜和外延橫向過度生長，a-GaN薄膜在半球圖案上的缺陷顯著減少。此外，在r-PSS的頂部還產生了空洞和鋸齒形棱柱狀的堆積錯誤（PSFs）等缺陷。對于r-PSS上的a-GaN薄膜，基底層錯和部分位錯密度分別降低到8.0×105cm-1和8.4×109cm-2。此半球形r-PSS上的非極性a-GaN薄膜表現出優(yōu)異的晶體質量和較低的缺陷密度。

圖6 基于TEM顯微結構表征的r-PSS上非極性a-GaN薄膜生長演化示意圖［55］Fig.6 Schematic diagrams showing the growth evolution of nonpolar a-GaN films on r-PSS， based on microstructural characterization by TEM［55］.

同樣，Son等［56］報道了利用蝕刻的a-GaN在r面藍寶石襯底上生長了整體缺陷密度低、晶粒質量較高的非極性（11-20）a-GaN層，圖7為a-GaN層生長示意圖。采用脈沖NH3間斷蝕刻法刻蝕a-GaN層，隨后在蝕刻的a-GaN層上重新生長了2 μm厚Si摻雜的a-GaN層，獲得了具有低穿線位錯密度（7.5×108cm-2）和低基底層錯密度（1.8×105cm-1）的全聚結n型a-GaN層。與平面樣品相比，（11-20）x射線搖擺曲線的半極值全寬沿c軸方向減小到518 arcsec，沿m軸方向減小到562 arcsec。此基于a-GaN層的LED器件經過脈沖NH3中斷蝕刻后，由于光散射和MQW中非輻射重組中心數量的減少，其性能優(yōu)于平面LED器件。

圖7 a-GaN層生長示意圖。（a）用SiO2納米柱掩膜在r面藍寶石襯底上生長a-GaN層；（b）在a-GaN層上制備SiO2納米柱掩膜；（c） a-GaN層蝕刻工藝；（d）蝕刻a-GaN層；（e） a-GaN層完全聚結［56］。Fig.7 Schematic diagram of a-GaN layer growth. （a） a-GaN layer grown on r-plane sapphire substrate with SiO2 nanopillar mask；（b） Fabrication of SiO2 nanopillar mask on a-GaN layer； （c） a-GaN layer etching process；（d） Etched a-GaN；（e） Fully coalescent a-GaN layer［56］.

3.3 陣列技術

2000年堪薩斯州立大學的J. Y. Lin等人［57］制備了直徑為12 μm、間距為50 μm的微盤發(fā)光二極管陣列。2006年，長春光機所梁靜秋等人［58］通過濕法腐蝕工藝制備了像素尺寸為16 μm×20 μm的紅光Micro-LED陣列。2010年，斯特克萊德大學的Z.Gong等人［59］制備了像素數為64×64、發(fā)光波長為560 nm、像素間距50 μm的綠色Micro-LED陣列。2012年，斯特克萊德大學的Shuailong Zhang等人［60］由高In摩爾分數的InGaN外延結構制作了一種顏色可調、可單獨尋址的Micro-LED陣列，該器件能實現多色顯示效果。Micro-LED陣列是在較小面積內集成的高密度、微尺寸的LED二維陣列，其微尺寸、高亮度等優(yōu)點使之可以應用在高分辨顯示、超分辨顯微鏡和可見光通信等眾多領域［33］。由于Micro-LED具有更高的面體積比，有更多的光從Micro-LED的表面溢出，因此其具有更高的光萃取效率；又因為Micro-LED可以承受更高的電流密度，電流密度的增加使光功率密度也隨之增加，因此Micro-LED具有更高的光功率密度。

與c面Micro-LED相比，非極性或半極性Micro-LED具有更好的電學和光學性能，且采用陣列技術不僅對QSCE起到抑制作用還對Micro-LED在色域上有一定的提高。Xu等［61］制造了一種半極性平面Micro-LED陣列（如圖8所示）。在注入電流密度為775.6 A/cm2的條件下，半極性Micro-LED的相對EQE保持在62%，表明由于MQW的極化減小，效率下降減小。在注入電流密度從11.1 A/cm2到775.6 A/cm2時，發(fā)射峰藍移顯著，降低了55%。此外，還研究了不同像素大小的半極性Micro-LED的載流子重組動力學和空間光分布。研究結果表明，小尺寸半極性Micro-LED是一種很有前途的高調制帶寬光源。

圖8 （a）圖案藍寶石襯底上半極性Micro-LED樣品的三維原理圖和晶體取向；（b）半極性Micro-LED陣列的SEM圖像（插圖：0.1 mA注入電流下的發(fā)光照片）［61］。Fig.8 （a） 3D schematic diagram and crystal orientation of semi-polar Micro-LEDs samples on pattern sapphire substrates； （b） SEM image of semi-polar Micro-LEDs array， Inset： Photo of luminescence under the injection current of 0.1 mA［61］.

Chen等［62］報道了一種具有高顏色穩(wěn)定性的全彩Micro-LED陣列，該陣列由半極性（20～21）藍色LED制成，并采用了量子點光刻膠（QDPR）顏色轉換層。圖9為制作全彩色RGB像素陣列的工藝流程。采用取向控制外延法在大尺寸（4 in（1 in=5.4 cm））圖紋藍寶石襯底上制備了半極性（20-21）的InGaN/GaN Micro-LED。在200 A/cm2的注入電流密度下，半極性Micro-LED的峰值波長偏移3.2 nm，效率下降14.7%，表明其QCSE得到了顯著改善。由于半極性Micro-LED的發(fā)射波長穩(wěn)定，RGB像素隨著電流密度的變化幾乎沒有色移，并獲得了較寬的色域（114.4% NTSC和85.4% Rec.2020）。此外，新興的量子點材料因其發(fā)射光譜可覆蓋整個可見光波段等優(yōu)點對Micro-LED的全彩顯示有很大的提升［63］。Han等［64］首次開發(fā)了氣溶膠噴射打印技術，將RGB量子點噴涂到芯片尺寸為35 μm×35 μm的UV Micro-LED陣列表面，從而實現了全彩Micro-LED顯示屏，該研究實現了全彩色量子點轉換顯示器，為后續(xù)的研究奠定了良好的基礎。

圖9 制造全彩色RGB像素陣列的工藝流程。（a） Micro-LED陣列工藝；（b）黑色PR矩陣和p電極金屬線；（c）紅、綠、藍（透明）像素光刻工藝；（d）彩色像素綁定［62］。Fig.9 Process flow for the fabrication of a full-color RGB pixel array. （a） Micro-LED array process； （b） Black PR matrices and p-electrode metal lines； （c） Red，green， and blue （transparent） pixel lithography process； （d） Color pixel bonding［62］.

Wang等［65］報道了在二氧化硅孔陣列圖樣的r-藍寶石襯底（HPSS）上直接生長的a面GaN的生長特性。圖10為MHPSS和NHPSS制備工藝示意圖。與半球形PSS相比，在r-藍寶石上引入SiO2孔陣列圖樣掩膜減少了GaN與藍寶石之間的界面。在這種情況下，一些源于GaN與藍寶石界面的缺陷可以被有效地抑制。實驗發(fā)現，優(yōu)化后的a面GaN薄膜的x射線搖擺曲線-半高全寬（XRC-FWHM）沿m方向為513 arcsec，沿c方向為531 arcsec，且BSF密度降低了一個數量級。這一結果表明，由于沿m軸的橫向過度生長增強而導致的更大的鑲嵌尺寸有助于消除各向異性。這些結果有望為培育高晶體質量的a面氮化鎵模板提供有利依據。

圖10 MHPSS和NHPSS制備工藝示意圖［65］Fig.10 Schematic diagram of the MHPSS and NHPSS preparation process［65］

發(fā)射波長的納米結構光源陣列的集成對于光電集成單片電路也具有重要意義。Hong等［66］報道了在c面藍寶石或Si襯底上集成成分調制的非極性m面InxGa1-xN/GaN MQW的GaN基p-n結多殼納米管微陣列的制備和光學性能（如圖11所示）。通過改變InxGa1-xN MQW的銦摩爾分數（0.13≤x≤0.36），將發(fā)射波長控制在綠色到紫色的可見光譜范圍內。通過在有序的納米管陣列上異質外延形成具有均勻QW寬度和MQW，實現了納米管LED陣列整個區(qū)域的均勻發(fā)射。重要的是，由于m面納米管非極性MQW中缺乏自發(fā)固有電場，從而抑制了QCSE和帶填充，在3 V以上的開啟電壓下觀察到波長不變的電致發(fā)光發(fā)射。該方法在常用的c面藍寶石和Si襯底上的單片非極性光子和光電子器件中具有潛在的應用前景。

圖11 氮化鎵基多殼納米管異質結構LED陣列。（a）納米管LED陣列和單個納米管LED示意圖；（b）納米管LED陣列的傾斜視圖FESEM圖像；（c）在670，720，760 ℃下生長的納米管MQW的鎵（空方塊）和銦（實圓）的L特征射線的EDX強度線輪廓（從左到右）（截面樣品沿徑向方向得到了剖面）［66］。Fig.11 GaN-based multishell nanotube heterostructure LED arrays.（a） Schematic diagrams of the nanotube LED arrays and a single nanotube LED；（b）Tilted view FESEM image of the nanotube LED arrays； （c） EDX intensity line profile of the L-characteristic rays of gallium （empty squares）and indium （solid circles） for nanotube MQWs grown at temperatures of 670， 720， 760 ℃ （from left to right）. The profiles were obtained along the radial direction from cross-section samples［66］.

4 總結與展望

隨著微納米制造能力和新結構設計的發(fā)展，Micro-LED顯示器存在的問題，如QCSE、顯示分辨率、像素間距、器件EQE、色彩轉換效率和光串擾等都得到了緩解。在行業(yè)發(fā)展動態(tài)中，目前Micro-LED能實現70%的透明度。不難發(fā)現，Micro-LED趨于高的靈活性與透明度的柔性顯示。新興材料的出現也助力了Micro-LED的發(fā)展，如量子點材料有顯著的光致發(fā)光、窄帶寬發(fā)射、顏色可調性、高量子產率和納米級尺寸，為Micro-LED顯示器提供了強大的全彩解決方案。然而，Micro-LED完全實現商業(yè)化還面臨著巨量轉移等諸多難題，使Micro-LED成為下一代顯示引領者任重而道遠。

GaN基材料雖然在第一、二代照明器件材料上有了很大進步，但傳統(tǒng)c面GaN器件實際應用中仍存在諸多問題。本文介紹了Micro-LED作為下一代顯示技術替代者所特有的優(yōu)勢，從傳統(tǒng)c面生長的LED的QCSE、綠色間隙、MQW LED中的載流子傳輸和效率下降幾個問題出發(fā)給出了非極性GaN基材料的優(yōu)勢。介紹了非極性或半極性GaN基Micro-LED從芯片成形、圖案刻蝕與陣列這3種改進技術上來提高芯片發(fā)光性能。從中發(fā)現，非極性和半極性GaN基Micro-LED因其無極化電場或弱電場、載流子復合機率大等優(yōu)點對消除缺陷、提高光功率密度和實現全彩顯示有很大作用，這種效果越來越被人們所重視，也為Micro-LED器件提供了新的發(fā)展趨勢。