交通大學研究團隊以ALD所提供的鈍化保護,提升 Micro LED 可靠度

近年來由於奈米元件的製程需求,半導體元件的尺度逐漸縮小,蝕刻造成的側壁缺陷逐漸無法忽視,PECVD不再能提供足夠的階梯覆蓋率,此時ALD沉積技術的特點正是解決此問題的方法,ALD是利用前驅物氣體與基板表面所產生的自我侷限(self-limiting) 交互反應,當反應氣體與基板表面形成單層化學吸附後,反應氣體不再與表面反應,所以成長厚度可控制在Å等級,並且可提供良好的階梯覆蓋率。

為此,臺灣交通大學林建中以及郭浩中研究團隊,展示了一系列PECVD以及ALD運用在不同尺寸下紅光micro-LED的研究,如圖1(a)所示。在相同的結構下,PECVD或者ALD在側壁沉積200 nm厚的SiO2鈍化保護層,並且進行了一系列電特性以及光特性的比較,圖1(b)為5 µm紅光micro-LED點亮OM圖。


圖1.紅光micro-LED(a) 結構示意圖 (b) 5 µm點亮OM

此研究首先針對PECVD以及ALD所成長的鈍化保護層對於漏電流之影響,圖2為紅光micro-LED,經過PECVD以及ALD的鈍化保護後的漏電流圖,可以發現在使用ALD的元件平均漏電流比起使用PECVD要低得多,而從中也可以發現,隨著元件尺寸縮減,漏電流都一致的上升,這是由於小型器件的表面-體積比增加以及在反向偏壓下的額外漏電路徑所導致。


圖2.不同chip size紅光micro-LED之漏電流(a)PECVD沉積 (b)ALD沉積

為了探討鈍化保護層對於紅光micro-LED光功率的影響,圖3整理了PECVD以及ALD鈍化保護層在不同尺寸以及電流密度條件下的光功率比較,可以看到PECVD以及ALD在15 µm以上,光功率都可以達到很好的一致性,但到了元件尺寸小於5 µm時,ALD的表現就勝出了PECVD所提供的鈍化保護能力。在相同電流密度,不同尺寸的條件下,使用ALD所提供的光功率差異為570倍;而使用PECVD的元件則高達850倍,這表明了在小尺寸的元件下,ALD依舊提供了優異的鈍化保護層,使得表面缺陷得以持續抑制,增加輻射複合效率。


圖3.不同條件下之積分光強度比較圖

此外ALD所提供的鈍化保護,使元件有更良好的可靠度,由於乾蝕刻製程會在側壁上造成損壞和缺陷,而當器件尺寸縮小時,側壁缺陷帶來的影響可能成比例增加,並導致性能的提早下降,此時鈍化保護層的品質就格外的重要,圖4比較了15 µm紅光micro-LED在ALD以及PECVD所沉積的鈍化保護層中,在400 A/cm2情況下的加速老化測試,我們可以看到使用PECVD所成長的鈍化保護層樣品在4.33小時就衰減到了原光強度值的一半,而ALD的樣品則延續到了5.32小時才衰減至一半,代表ALD可以提供更好的成膜品質,減少側壁缺陷帶來的影響。


圖4. 15 µm紅光micro-LED加速老化測試

綜合以上結果,我們可以發現隨著元件尺寸的縮小,經過ALD鈍化保護的元件,在不同性能下都能夠得到更優異的表現,在未來的先進製程當中,ALD技術勢必會繼續扮演著一個重要的角色。

全文詳見Investigation on reliability of red micro-light emitting diodes with atomic layer deposition passivation layers

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