近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）先进半导体实验室团队在深紫外（DUV）Micro-LED制造领域取得重要进展。研究团队首次提出并验证了一种基于选择性热氧化（Selective Thermal Oxidation, STO）的“自对准”像素化制造工艺，成功实现像素尺寸仅为2.3微米的独立式与阵列式DUV Micro-LED器件。相关成果已发表在光学领域权威期刊 Optics Letters 上。
图一. 采用 (a) 反应离子刻蚀和 (b)选择性热氧化技术进行 Micro-LED制造的工艺流程。
背景阐述
如图1(a)所示，在基于反应离子刻蚀（RIE）的传统Micro-LED制造工艺中，首先通过RIE形成Micro-LED台面结构，随后需进行绝缘材料沉积，如SiO2 和 Al2O3等，以实现侧壁钝化并隔离n型与p型电极。接下来，通过光刻和刻蚀在台面绝缘材料上开孔，暴露p-GaN表面，用以后续p接触形成。在此过程中，高精度的光刻和套刻对准从而精确的把控孔径的位置是至关重要的。这将确保在开孔后，n 型材料和台面侧壁仍然被绝缘材料覆盖。若对准发生严重偏差，则开孔后n 型材料和台面侧壁表面绝缘材料残缺，金属p电极将可能与n型材料或侧壁直接接触，导致器件漏电甚至短路失效（如图1(a)中步骤4*所示）。随着Micro-LED尺寸不断缩小，对套刻精度的要求急剧提升，显著增加了工艺难度与制造成本。
解决方案
提出的新型STO方法可规避传统工艺中对高精度光刻与套刻对准的依赖，极大简化了微米级像素器件的制造流程。如图一（b）所示，该方法首先在p-GaN表面沉积一层1.2 微米厚的PECVD SiO2层，通过光刻与反应离子刻蚀图形化实现预定义的像素结构。随后，在空气气氛下于900°C退火2小时。SiO2在此过程中充当氧化掩模，有效阻挡氧气扩散，保护其下方的LED结构并保留发光能力；而未被SiO2覆盖的区域则被氧化并破坏，形成绝缘层，从而自然划定出发光像素。SiO2图形不仅决定了DUV Micro-LED的像素位置和尺寸，也在退火过程中实现了像素边界的“自对准”界定。退火后，通过HF气相去除SiO2掩模，再完成后续金属电极的沉积与退火，从而形成完整器件结构。基于该工艺，研究团队成功制造了2.3 微米像素的独立式及阵列式DUV Micro-LED器件。通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）以及阴极发光（CL）等表征手段，系统验证了STO像素化机制的实现与空间分辨效果（如图二所示）。
图二. (a) 像素阵列的SEM图像；(b) 270 nm波长下的像素阵列CL图像；(c) 像素界面的横截面TEM图像；(d) EDX测量的像素界面附近的氧元素分布。
器件性能
测试结果表明，该工艺制备的DUV Micro-LED具有良好的器件性能。例如，2.3 微米的独立式DUV Micro-LED在10 A/cm2电流密度下呈现4.9 V较低的工作电压。器件展现出良好的二极管特性和稳定的发光性能。所制造的2.3 微米的阵列式DUV Micro-LED在未经封装条件下，on-wafer测量器件外量子效率为0.77%，在反向5V电压下漏电流密度仅为4×10−7 A/cm2，表现出极大的性能潜力 （图三）。
图三. 像素尺寸为 2.3 微米的 DUV Micro-LED 阵列性能表征。(a) I-V 特性；(b) 0.4 至 50 mA 电流下的发射光谱；(c)光功率和 EQE 曲线。
团队表示，选择性热氧化工艺在简化Micro-LED像素化工艺的同时保持了良好的器件性能。相信这项工作将为深紫外Micro-LED制造带来新的技术路径，助力其在消毒灭菌、紫外通信、颜色转换以及无掩膜光刻等关键应用中的推广与发展。
参考文献
Zhiyuan Liu, Haicheng Cao, Tingang Liu, Patsy A. Miranda Cortez, Zixian Jiang, Kexin Ren, Na Xiao, Yi Lu, Xiao Tang, Zuojian Pan, and Xiaohang Li, "2.3-μm deep UV micro-LEDs fabricated by self-aligned selective thermal oxidation process," Opt. Lett. 50, 3628-3631 (2025)
(来源：KAUST先进半导体实验室团队)
