基于GaN-on-GaN同质外延垂直结构微发光二极管的近眼显示技术突破

本文创新性地采用GaN-on-GaN同质外延平台结合氟离子注入（F- implantation）像素隔离技术，开发出具有低缺陷密度和高热管理性能的垂直结构微发光二极管（micro-LED）。通过取代传统感应耦合等离子体（ICP）刻蚀方法，显著降低串联电阻（RS），实现外量子效率（EQEeffective）提升和半峰全宽（FWHM）收窄，为增强现实（AR）/虚拟现实（VR）近眼显示系统提供了高亮度、高分辨率的解决方案。

　　

近眼显示技术的新突破：垂直结构GaN微发光二极管

Abstract

在各类微发光二极管（micro-LED）显示产品中，增强现实（AR）和虚拟现实（VR）等近眼应用正日益普及，推动着对更高亮度、分辨率和紧凑尺寸的消费需求。本研究通过GaN-on-GaN同质外延平台制备低缺陷密度micro-LED，利用氟离子注入实现像素隔离，相比传统感应耦合等离子体（ICP）刻蚀方法，显著降低了串联电阻并提升光学性能。垂直结构设计进一步缩小器件尺寸，为超密集集成提供可能。创新性提出的有效外量子效率（EQE_effective）指标证实，离子注入结构在实用工作条件下性能优越，为下一代AR/VR显示技术开辟了新途径。

1 Introduction

显示产品可分为基于波导的近眼显示（如AR/VR）和基于巨量转移的面板显示（如智能手机和电视屏幕）两大类。对于12°视场角（FOV）的近眼应用，提升轴向显示亮度和显示质量至关重要。氮化镓（GaN）基micro-LED凭借高对比度、长寿命和优异稳定性成为研究热点，但传统蓝宝石衬底存在晶格失配和热失配问题，且ICP刻蚀会引入侧壁缺陷，增加Shockley-Read-Hall（SRH）非辐射复合。离子注入像素隔离技术通过注入特定离子造成晶格损伤实现电学隔离，可避免侧壁发射问题。同时，GaN同质外延衬底将穿透位错密度（TDD）从4.34×10⁸ cm^-2（GaN-on-蓝宝石）降至7.09×10⁵ cm^-2，显著提升辐射复合效率。

2 Experimental Section

实验采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在2英寸自支撑GaN衬底上生长micro-LED外延结构，包含n-GaN层、电子扩展层（ESL）、多量子阱（MQW）有源区等。通过双面抛光后，采用电子束技术沉积氧化铟锡（ITO）作为电流扩展层（CSL）。创新性地使用7°倾角、150 keV能量和1×10¹⁵ ions cm^-2剂量的氟离子（F^-）注入实现像素隔离，相比传统ICP刻蚀，F^-注入形成的Ga-F键可在高达550°C保持热稳定性。最终在样品上同时获得四种结构：传统ICP刻蚀的横向/垂直结构，以及离子注入的横向/垂直结构。

3 Results and Discussion

3.1 Electrical Performance

扫描电镜（SEM）显示，50×50 μm²离子注入器件表面更平滑。电流-电压（IV）测试表明，在相同电压下，离子注入器件电流更大，开启电压（10 A cm^-2时）为2.83-2.85 V，低于ICP刻蚀器件的2.86-2.89 V。通过J(dV/dJ)与J关系曲线提取的串联电阻显示，100×100 μm²离子注入器件电阻仅为ICP刻蚀器件的四分之一。特别值得注意的是，F^-注入器件在-5 V下实现创纪录的低漏电流（约1×10^-11 A）。

3.2 Optical Performance

电致发光（EL）成像显示，100×100 μm²离子注入器件边缘发光更均匀。光谱分析表明，随着电流密度从10增至500 A cm^-2，离子注入结构光强增长幅度（117%）显著高于刻蚀结构。两种结构的中心波长稳定在413 nm，但离子注入结构的FWHM更窄（从16.5降至14 nm）。通过有限差分时域（FDTD）模拟计算显示，传统结构顶部发光效率（η_top）仅为3.12%，而侧壁发光（η_side）达6.10%。创新性提出的显示有效EQE指标证实，100×100 μm²离子注入结构的EQE_effective峰值电流密度（J_peak）达120 A cm^-2，完美匹配AR眼镜在户外环境的工作需求。

4 Conclusion

本研究通过GaN-on-GaN同质外延平台、氟离子注入像素隔离和垂直结构的三重创新，实现了micro-LED技术的突破性进展。离子注入技术不仅降低了串联电阻，还通过消除等离子体诱导的侧壁损伤，显著提升了器件的光学性能。垂直结构设计实现了超紧凑的器件尺寸，为高像素密度集成铺平了道路。这项工作为下一代沉浸式近眼显示系统提供了可扩展的技术框架，在像素密度和能效方面树立了新标杆。