介电掩模选择性区域多孔GaN微阵列嵌入量子点用于色彩转换

《Nanomaterials》：Dielectric-Masked Selective-Area Porous GaN Microarrays with Embedded Quantum Dots for Color Conversion

　　

在本研究中，研究人员介绍了集成嵌入式量子点（QDs）的选择性区域多孔GaN（SPG）微阵列的开发，用于下一代显示应用。研究人员报道了一种基于介电硬掩模的架构，该架构能够承受高刻蚀电压而不发生结构损伤，克服了传统聚合物掩模的局限性。该工艺实现了对垂直和横向孔隙传播的精确控制，实现了15 μm的有效像素尺寸，并实现了超高分辨率（>1270 ppi）的显示结构。此外，光学性能测量证实，所获得的阵列表现出优异的色域，达到NTSC标准的119.2%和Rec. 2020标准的95.6%。因此，本研究所提出的基于介电硬掩模的图案化技术为实现工艺稳定性和高分辨率像素结构提供了有效解决方案，使得制造具有全色能力的高性能微LED显示器成为可能。

微发光二极管（micro-LED，μ-LED）因响应快、寿命长、亮度高等优势，被视为下一代高分辨率近眼显示（如增强现实AR、虚拟现实VR、扩展现实XR）的关键光源。近眼显示需极高像素密度以避免纱窗效应，因此常采用硅基LED（LEDoS）集成平台。但单一面板难以实现全彩显示，传统方案需三块RGB LEDoS面板和复杂光学系统，成本高且体积大。将胶体量子点（QDs）直接集成在紫外或蓝光μ-LED阵列上进行色彩转换，是简化工艺、降低成本的可行途径。然而超高分辨率下QD子像素尺寸减小带来挑战：增加转换层厚度抑制蓝光泄漏会加剧QDs间再吸收损失，降低转换效率；溶液法中的咖啡环效应导致溶质在边缘聚集，使子像素发光不均匀。基于多孔GaN的色彩转换结构可增加光程，减少QDs用量，且花瓣效应有助于均匀填充。但先前研究受限于35 μm像素分辨率，采用聚合物掩模虽可缩小至微米级，但在电化学刻蚀（ECE）高电压下易发生结构破坏和分层，只能将电压限制在≤15 V，导致孔隙率和转换效率低。因此，研究人员提出基于介电硬掩模的选择性区域多孔GaN（SPG）架构，以在高电压ECE条件下保持稳定。研究人员采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）在蓝宝石衬底上依次生长1.4 μm非掺杂GaN层和4.2 μm硅掺杂（6×10¹⁸ cm^?3）n-GaN层；通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积250 nm SiO₂掩模，经光刻和电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）形成微孔图案。随后在0.3 M草酸溶液中施加22.5 V恒定电压进行ECE，并利用滴涂法将绿色和红色QDs（5 mg/mL甲苯分散液）选择性填充入孔隙，重复三次后经丙酮剥离去除光刻胶。利用扫描电镜（SEM）、紫外-可见-近红外分光光度计、能量色散X射线光谱（EDS）、光致发光（PL）光谱和光学显微镜等表征结构与光学性能。该研究发表于《Nanomaterials》。

研究结果包括：3.1 未图案化多孔GaN的结构与光学表征。研究人员通过对比15 V和22.5 V刻蚀样品的SEM图像发现，随电压升高，孔隙率从15%增至55%，平均孔径从30±8 nm增至72±18 nm；紫外-可见吸收光谱显示22.5 V样品吸光度最高，说明高孔隙率结构通过多重散射延长光程，增强光捕获。PL谱表明，22.5 V刻蚀样品嵌入QDs后激发光泄漏显著抑制、QD发射增强且峰位红移，证实高电压制备的多孔GaN能有效提升色彩转换特性。3.2 通过介电掩模制备的SPG的结构与光学特性。光学显微镜对比显示，SiO₂/PR掩模在22.5 V ECE后保持完整，而PR掩模发生破裂，证明介电硬掩模具有高稳定性。SEM观察发现，微孔开口内形成与平面结构一致的孔隙，且掩模下方发生横向刻蚀；刻蚀12 min后垂直深度约4.2 μm，与n-GaN层厚度一致。不同尺寸（5–50 μm）像素阵列的横向刻蚀速率几乎一致，表明工艺均匀性高。嵌入绿/红QDs后，PL显微镜图像显示发光局域于特定像素区域，实现1270 ppi超高分辨率。对于R/G/B微阵列，通过选择性填充红绿QDs并利用蓝光激发光作为蓝子像素，成功构建全彩像素，像素间相对标准偏差（RSD）低于5%，相邻像素间光学串扰约29.5%。截面SEM和EDS元素图谱确认QDs同时嵌入垂直孔隙与横向刻蚀区域。单个5 μm掩模像素的PL空间分布半高全宽（FWHM）为绿色13.3 μm、红色14.9 μm，表明有效发射像素约15 μm。加入模拟滤色片后，色域达到NTSC（1953）的119.2%和Rec. 2020的95.6%。与已报道多孔GaN结构相比，本研究在采用低成本滴涂法的同时，实现了最高ECE电压（22.5 V）和最小像素尺寸。

讨论部分指出，各向同性刻蚀导致掩模下方横向刻蚀，使有效发射像素增至约15 μm；可通过精确设计掩模孔径或引入Cr等光阻挡层作为黑矩阵来进一步缩小像素。实际应用中还需解决掩模对准、QD光稳定性及散热问题，可采用先进光刻和原子层沉积（ALD）Al₂O₃钝化层改善。研究结论认为，研究人员成功开发了基于介电硬掩模的SPG结构，在22.5 V高电压下无掩模塌陷或分层，获得与平面层一致的多孔结构，横向多孔深度达4.2 μm；绿/红QDs成功浸入垂直和横向孔隙，形成像素化发射；5 μm掩模图案的子像素阵列发光FWHM约15 μm，实现1270 ppi超高分辨率；加入模拟滤色片后色域优异。该高电压SPG与高精度QD集成技术有望用于未来AR/VR和XR全彩微LED显示器。