Применение атомно-слойного осаждения для микро-светодиодов и VCSEL следующего поколения

Аннотация

Прогресс в нанофабрикации довел полупроводниковые устройства к всегда меньшим размерам, усиливая боковые дефекты, подрывающие производительность. Конвенциональное плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы (PECVD) борется с доставкой конформальности, требуемой в нанометровом масштабе. Атомно-слойное осаждение (ALD) преодолевает эти вызовы через самолимитирующие поверхностные реакции, доставляя монослой-точные пленки с отличным покрытием ступенек. Этот обзор опрошивает недавний прогресс в ALD-базированной пассивации микро-светодиодов и вертикальных полостных поверхностно-излучающих лазеров (VCSEL), подчеркивая, как адаптированные диэлектрические слои улучшают извлечение света, подавляют утечку и заметно повышают надежность в суровых экологических условиях.

Введение

С первого патента, поданного д-ром Туомо Сунтолой в 1977 г., ALD эволюционировал из нишевого исследовательского инструмента в краеугольный камень передовой полупроводниковой обработки. К 2007 г. Intel продемонстрировал первую 45-нм HfO₂ гейт-пассивацию на металл-оксидном транзисторе, подчеркивая точность и масштабируемость ALD. ALD опирается на два временно разделенных импульса предшественников, реагирующих только на поверхности, давая самолимитирующий монослойный рост. Этот механизм обеспечивает значения роста на цикл (GPC) 0,05–0,1 нм, позволяя пленкам конформировать высоко-аспектные структуры с нанометровой однородностью. В отличие от конвенционального CVD или PVD, поверхностно-ограниченная химия ALD устраняет объемные реакции, давая плотные, бездырочные покрытия, критичные для высоконадежных оптоэлектронных устройств. Полупроводниковое сообщество приняло ALD для высокок диэлектриков, барьеров меди, стоп-слоев и, критически, для защитных слоев на светодиодах и VCSEL. В OLED дисплеях, например, требуются скорости передачи водяного пара (WVTR) ниже 10⁻⁴ г м⁻² день⁻¹, этап, который ALD пленки регулярно достигают. Для высокомощных VCSEL WVTR <10⁻³ г м⁻² день⁻¹ необходимо для поддержания производительности во влажных средах. Этот обзор фокусируется на влиянии ALD на микро-светодиоды и VCSEL, детализируя стратегии пассивации, улучшения DBR, оптимизацию квантовых ям и осаждение прозрачных электродов, которые коллективно повышают эффективность и долговечность устройств.

ALD технологии для микро-светодиодов

В InGaN микро-светодиодах внутренние пьезоэлектрические поля вызывают квантово-зажатый Старк-эффект (QCSE), сдвигающий длину волны эмиссии и деградирующий носительную рекомбинацию. Недавняя работа использовала кольцевастые наноструктуры для релаксации напряжения и модуляции QCSE, но выгоды ограничены боковым повреждением, когда размеры устройств сжимаются ниже 20 мкм.

В то время как PECVD может осаждать высокок диэлектрики быстро, его эффекты загрузки и ограниченная конформальность делают его субоптимальным для суб-10 мкм устройств. ALD, напротив, доставляет нанометровые, плотные пленки с превосходным покрытием ступенек и однородностью, даже при низких температурах осаждения (< 200 °C). Исследования Келлера и соавт. показали, что ALD-выращенные Al₂O₃ и HfO₂ слои уменьшают токи утечки до 80 % по сравнению с PECVD, в то время как одновременно увеличивают внешний квантовый выход (EQE) на 20–30 % для устройств размером всего 5 мкм. Рисунки 3 и 4 иллюстрируют драматическое улучшение обратного смещения утечки и интегрированной оптической мощности при использовании ALD для боковой пассивации.

EQE измерения дополнительно подтверждают преимущество ALD: для 20 × 20 мкм² микро-светодиодов ALD-пассивированные устройства достигают 33 % EQE против 24 % для PECVD, 37 % относительное улучшение. В более крупных 100 × 100 мкм² устройствах боковое соотношение уменьшается, и EQE сходится между методами, подчеркивая критическую роль ALD в микромасштабе.

В резюме, ALD-базированная боковая пассивация смягчает дефект-индуцированную утечку, сохраняет носительную рекомбинацию и поддерживает высокую светоотдачу по мере уменьшения микро-светодиодов — существенная способность для дисплейных и осветительных технологий следующего поколения.

ALD технологии для VCSEL

Оксидно-конфинированные VCSEL предлагают низкий джиттер и высокую модальную стабильность, но их высокомощная операция делает их уязвимыми к влажному проникновению и термическому стрессу. Архитектура VCSEL — p-DBR, активная полость, n-DBR — требует слоев с отражательностью > 99 % и минимальной межплоскостной шероховатостью для поддержания низких пороговых токов.

Пассивационные слои

Традиционное PECVD осаждение требует толстых Al₂O₃ слоев для достижения достаточной барьерной производительности, что вводит напряжение и деградирует надежность. ALD, осаждая 5–10 нм Al₂O₃ с атомной точностью, предоставляет плотный, бездырочный барьер, инкапсулирующий мезовые боковины без избыточного напряжения. В исследовении старения 85 °C/85 % RH устройства, покрытые ALD-выращенным Al₂O₃ + PECVD SiNₓ, выжили 960 ч, по сравнению с 500 ч для SiNₓ в одиночку, демонстрируя 92 % улучшение влажной высокотемпературной оперативной жизни (WHTOL).

Улучшения DBR

ALD позволяет точный контроль четвертьволновых толщин высокоиндексных/низкоиндексных пар таких как HfO₂/Al₂O₃. Передаточная электронная микроскопия подтверждает суб-нанометровую межплоскостную шероховатость и острые композиционные границы (Рис. 12). По сравнению с MOCVD, ALD-выращенные DBR демонстрируют более высокую отражательность и более низкие потери вставки, как показывают переносно-матричные расчеты (Рис. 13).

Множественные квантовые ямы

Для VCSEL, работающих в 850-нм диапазоне, ALD-базированные антирефлексные (AR) покрытия и поверхностная пассивация InGaAs/GaAs MQW уменьшают нерадиативную рекомбинацию > 15 %. Поверхностно-обработанные MQW (HCl или NH₄OH) с последующим Al₂O₃ ALD сохраняют индиевое содержание, вводя тонкий оксид, смягчающий поверхностные состояния (Рис. 15).

Прозрачные электроды

Конвенциональные Ti/Au контакты поглощают излучаемые фотоны и ограничивают рассеяние тока. ALD-выращенные оксид индия-олова (ITO) пленки обеспечивают > 96 % проницаемость и отличное поверхностное сопротивление, давая 27 % прирост выходной мощности для 850-нм VCSEL по сравнению с металлическими контактами. Недавняя работа демонстрирует, что ALD-осажденные ZnO и Al₂O₃ слои могут еще больше улучшить равномерность тока и уменьшить оптические потери.

Заключение

ALD доказал себя незаменимым для следующей волны оптоэлектронных устройств. Его монослойный контроль позволяет боковую пассивацию, подавляющую утечку в микро-светодиодах и защищающую оксидно-конфинированные VCSEL от влаги и термического стресса. Al₂O₃/SiNₓ стопочные диэлектрики, ALD-выращенные DBR с точной толщиной и высокопрозрачные TCO электроды коллективно повышают эффективность, надежность и масштабируемость устройств. Продолжающаяся интеграция ALD в полупроводниковые фабрики обещает дальнейшие приросты в мощности, пропускной способности данных и энергоэффективности для будущих дисплейных, осветительных и коммуникационных систем.

Доступность данных и материалов

Данные, поддерживающие этот обзор, доступны у соответствующих авторов по разумному запросу.

Аббревиатуры

PECVD

Плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы

ALD

Атомно-слойное осаждение

LED

Светодиод

VCSEL

Вертикальный полостной поверхностно-излучающий лазер

CVD

Химическое осаждение из паровой фазы

PVD

Физическое осаждение из паровой фазы

GPC

Рост на цикл

HKMG

Высокок металл-гейт

FinFET

Fin полевой транзистор

WVTR

Скорость передачи водяного пара

OLED

Органический светодиод

MEMS

Микро-электро-механические системы

μLED

Микро-светодиод

WHTOL

Влажная высокотемпературная оперативная жизнь

OOK

Включение-выключение ключение

PAM4

Амплитудная модуляция 4-уровневая