薄膜GaN基μLED芯片尺寸效应与离子注入工艺的对比研究：表面粗糙化对性能的调控机制

研究人员针对微发光二极管(μLED)尺寸减小导致的效率下降问题，通过对比等离子刻蚀与砷离子(As+)注入两种工艺，结合N极性n-GaN表面KOH粗糙化处理，发现4分钟蚀刻可使25 μm阵列器件外量子效率(EQE)提升71%，揭示了表面织构化对光提取效率(LEE)的关键作用，为高分辨率显示技术提供了工艺优化方案。

　　

论文解读

在增强现实(AR)和虚拟现实(VR)等下一代显示技术领域，微米级发光二极管(μLED)因其高亮度、低功耗成为理想光源。然而，当芯片尺寸缩小至10 μm以下时，等离子刻蚀导致的侧壁损伤会显著降低内量子效率(IQE)，这一现象与侧壁表面积增大引发的Shockley-Read-Hall(SRH)非辐射复合密切相关。更棘手的是，传统湿法蚀刻虽能提升光提取效率(LEE)，但过度处理会导致键合金属脱落。如何平衡工艺损伤与性能优化，成为制约高像素密度(PPI)显示发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，由台湾成功大学领衔的研究团队在《Applied Surface Science Advances》发表论文，创新性地对比了等离子刻蚀与砷离子(As⁺)注入隔离两种工艺对10×10 μm²和25×25 μm²阵列μLED的影响。研究采用激光剥离(LLO)技术制备薄膜倒装芯片(TFFC)结构，通过4 M KOH溶液在80℃下进行2-4分钟的N极性n-GaN表面蚀刻，结合双Al₂O₃/SiO₂钝化层处理，系统评估了表面金字塔结构（90-780 nm）对器件性能的调控规律。

关键技术方法
研究团队采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长InGaN/GaN多量子阱(MQWs)外延片，通过电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)定义像素阵列。关键创新点包括：1) 采用1×10¹⁴/cm²剂量的As⁺离子注入实现电学隔离；2) 优化脉冲激光参数（266 nm波长，500 mJ/cm²能量密度）完成LLO工艺；3) 时间分辨光致发光(TRPL)和ABC模型定量分析非辐射复合率。

研究结果

3.1 材料特性分析
PL光谱显示As⁺注入导致InGaN/GaN MQWs发射峰红移21 nm，并在550 nm处出现黄色发光带，证实离子注入引入了深能级缺陷。SEM观测发现4分钟KOH蚀刻形成的金字塔结构（370-780 nm）密度低于2分钟样品（90-270 nm），但尺寸分布更均匀。

3.2 电学性能
所有样品在3 mA电流下的正向偏压保持在2.93-3.15 V范围内，表明LLO和KOH处理未劣化电接触。但离子注入器件呈现最高开启电压，暗示As⁺散射可能增加MQWs区缺陷密度。

3.3 光学性能突破
4分钟蚀刻使25 μm阵列的发光功率(LOP)提升92.6%，远超离子注入器件的66.8%。EQE分析揭示：10 μm器件虽具有最高侧壁复合率（TRPL寿命52.0 ns），但凭借更强的光波导效应，初始EQE反超25 μm器件；而经4分钟蚀刻后，所有样品EQE趋近，25 μm阵列更实现71%的增幅，证实表面粗糙化对LEE的提升起主导作用。

3.4 复合机制解析
ABC模型拟合显示，10 μm器件的SRH系数达2.33×10⁷ s^-1，是25 μm器件的4倍，印证尺寸效应加剧非辐射复合。但离子注入器件在蚀刻后SRH系数仅5.19×10⁶ s^-1，展现优异的工艺耐受性。

结论与展望
该研究首次阐明GaN表面金字塔尺寸与密度的博弈关系：4分钟蚀刻形成的大尺寸（>370 nm）、低密度粗糙结构能最大化光散射效应，使不同尺寸μLED的EQE差异从35%缩小至<5%。尽管离子注入技术避免了等离子损伤，但其器件EQE仍比传统工艺低27.4%，这为工艺选择提供了量化依据。研究团队特别指出，双钝化层设计与精确控制的KOH蚀刻时间（不超过4分钟）是保证键合可靠性的关键，这一发现对推动μLED在柔性显示中的应用具有重要指导意义。未来研究可进一步探索fs激光LLO与离子注入协同工艺，以兼顾热稳定性和分辨率提升。