利用原子层沉积赋能新一代微型LED和VCSEL

摘要

纳米制造进步推动半导体器件向更小尺寸演进，加剧侧壁缺陷损害性能。传统等离子体增强化学气相沉积（PECVD）难以在纳米尺度提供所需台阶覆盖。原子层沉积（ALD）凭借自限制表面反应克服此难题，实现单层精度薄膜、优异台阶覆盖。本文综述ALD基微型LED和垂直腔面发射激光器（VCSEL）钝化近期进展，强调定制介质层如何增强出光、抑制漏电、在恶劣环境下显著提升可靠性。

引言

自1977年Tuomo Suntola博士首项专利以来，ALD从小众研究工具演变为先进半导体加工基石。2007年Intel演示首个45 nm HfO₂栅极钝化金属-氧化物晶体管，彰显ALD精度和可扩展性。ALD依赖两个时间分离前驱体脉冲仅在表面反应，实现自限制单层生长。此机制确保生长每循环（GPC）0.05–0.1 nm，使薄膜以纳米级均匀性覆盖高深宽比结构。区别于传统CVD或PVD，ALD表面限制化学消除体相反应，产出致密、无针孔涂层，对高可靠性光电器件至关重要。半导体界已拥抱ALD用于高k介质、铜阻挡层、刻蚀停止层，关键地用于LED和VCSEL保护层。OLED显示要求水汽透过率（WVTR）<10⁻⁴ g m⁻² day⁻¹，ALD薄膜常规达标。高功率VCSEL需WVTR<10⁻³ g m⁻² day⁻¹以维持湿热环境性能。本文聚焦ALD对微型LED和VCSEL影响，详述钝化策略、DBR增强、量子阱优化、透明电极沉积，共同提升器件效率寿命。

微型LED的ALD技术

InGaN微型LED固有压电场引起量子受限斯塔克效应（QCSE），导致发射波长偏移、载流子复合退化。近年利用环形纳米结构释放应变调控QCSE，但器件尺寸缩至20 μm以下时侧壁损伤抵消收益。PECVD虽能快速沉积高k介质，但载荷效应和有限台阶覆盖使其不适合亚10 μm器件。ALD相反，在低沉积温度（<200°C）下沉积纳米级致密薄膜，具优异台阶覆盖和均匀性。Koehler等研究显示ALD生长Al₂O₃和HfO₂层较PECVD降低漏电流达80%，同时使5 μm器件外量子效率（EQE）提升20–30%。图3、4展示ALD侧壁钝化下反向偏置漏电和集成光功率显著改善。

微型LED反向偏置J-V曲线：PECVD（a）与ALD（b）侧壁钝化对比[68]

不同电流密度下ALD与PECVD钝化集成光谱强度对比[68]

EQE测量进一步确证ALD优势：20×20 μm²微型LED，ALD钝化器件达33% EQE，PECVD仅24%，相对提升37%。大尺寸100×100 μm²器件因侧壁比例降低，两法EQE趋同，凸显ALD在微尺度关键作用。总之，ALD基侧壁钝化缓解缺陷诱导漏电、保护载流子复合、维持微型LED缩放下高发光效率——新一代显示照明技术必备能力。

VCSEL的ALD技术

氧化物限制VCSEL提供低抖动、高模式稳定性，但高功率运行易受湿气渗透和热应力影响。VCSEL结构——p-DBR、有源腔、n-DBR——需反射率>99%层、最小界面粗糙度以维持低阈值电流。

钝化层

传统PECVD需厚Al₂O₃层达足够阻隔性能，引入应力降低可靠性。ALD以原子精度沉积5–10 nm Al₂O₃提供致密无针孔屏障，封装台面侧壁无额外应力。85°C/85% RH老化研究显示ALD Al₂O₃+PECVD SiN_x器件存活960 h，SiN_x单层仅500 h，湿热工作寿命（WHTOL）提升92%。

VCSEL WHTOL（85°C/85% RH）：(a)仅SiN_x，(b)Al₂O₃+SiN_x钝化

DBR增强

ALD实现高折射率/低折射率对（如HfO₂/Al₂O₃）四分之一波长厚度精确控制。透射电镜证实亚纳米界面粗糙度和锐利成分界面（图12）。对比MOCVD，ALD生长DBR展现更高反射率、更低插入损耗，传递矩阵计算验证（图13）。

ALD沉积HfO₂/Al₂O₃ DBR透射电镜像[84]

多量子阱

850 nm波段VCSEL中，ALD基抗反射（AR）涂层和InGaAs/GaAs MQWs表面钝化降低非辐射复合>15%。表面处理（如HCl或NH₄OH）后Al₂O₃ ALD保留铟含量同时引入薄氧化层缓解表面态（图15）。

Al₂O₃ ALD前InGaN表面处理效果[86]

透明电极

常规Ti/Au接触吸收发射光子限制电流扩展。ALD生长铟锡氧化物（ITO）薄膜提供>96%透射率、优异方块电阻，使850 nm VCSEL输出功率较金属接触提升27%。近期工作显示ALD沉积ZnO和Al₂O₃层可进一步改善电流均匀性、降低光损耗。

ALD与CVD沉积ZnO薄膜SEM像用于透明电极

结论

ALD已证明为新一代光电器件不可或缺。单层级控制实现侧壁钝化抑制微型LED漏电、保护氧化物限制VCSEL免受湿热应力。Al₂O₃/SiN_x堆叠介质、ALD生长精准厚度DBR、高透透明导电电极共同提升器件效率、可靠性、可扩展性。ALD持续融入半导体产线有望在功率处理、数据速率、能效方面为未来显示、照明、通信系统带来更大增益。