一种纳米LED侧壁缺陷修复与性能恢复工艺及器件

本发明涉及光电显示领域，特别涉及用于一种纳米led侧壁缺陷修复与性能恢复工艺及器件。

背景技术：

1、氮化镓（gan）基纳米led是下一代超高清微显示器的核心光电器件。为实现4k分辨率及万级像素密度（像素间距<1.2 μm），必须采用自上而下的干法刻蚀工艺将外延片分割为独立的纳米发光单元。然而，电感耦合等离子体（icp）刻蚀会在侧壁引入大量悬挂键、氮空位以及晶格损伤，形成非辐射复合中心，导致内量子效率急剧下降（通常降至原始外延片的30%~50%）。研究表明，氮空位（v_n）是gan中最主要的刻蚀诱导缺陷，其能级位于导带底下方0.1~0.3 ev处。

2、为抑制侧壁非辐射复合，现有技术主要采用原子层沉积（ald）高k氧化物（如al2o3）对侧壁进行钝化。该方法的物理本质是电容效应——通过高k介质屏蔽表面电荷，降低表面复合速度。然而，传统ald钝化存在以下根本性缺陷：（1）无法消除缺陷能级，被捕获的载流子最终以非辐射复合形式耗散；（2）无法修复氮空位，缺陷态密度不变；（3）被缺陷捕获的载流子无法重新参与发光，侧壁区域成为“死区”。此外，离子注入修复虽可填充空位，但引入额外晶格损伤，且不适用于已制作完毕的纳米结构。因此，亟需一种全新的侧壁修复机理，从根本上将损伤区域转化为对发光有贡献的区域。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的一部分缺点，本发明目的在于提供一种纳米led侧壁缺陷修复与性能恢复工艺，旨在解决现有技术中纳米led刻蚀侧壁非辐射复合严重、被缺陷捕获的载流子无法利用、传统钝化方法只能抑制漏电而不能恢复发光效率的根本技术难题，实现将侧壁缺陷态载流子转化为有效发光贡献的能带工程方法及高性能器件。

2、为实现上述目的，在本发明第一方面提供一种纳米led侧壁缺陷修复与性能恢复工艺，包括：

3、步骤s1、提供一具有干法刻蚀形成的侧壁的gan基纳米led晶圆，所述侧壁存在刻蚀诱导的氮空位缺陷；

4、步骤s2、将所述晶圆置于原子层沉积反应腔中，采用含氮远程等离子体对侧壁进行原位预处理，以向侧壁表面及亚表面补充氮原子，修复部分氮空位缺陷；

5、步骤s3、采用等离子体增强原子层沉积工艺，在所述侧壁上沉积inxga1-xn梯度层，其中，在垂直于侧壁的方向上，从与侧壁接触的表面向远离侧壁的方向，in组分x呈渐变趋势，从所述侧壁表面处的x=0.15~0.20渐变至终点处的x=0，梯度层厚度为4~8 nm，从而在导带底形成从远离侧壁方向指向侧壁表面指的能带斜坡；其中，所述能带斜坡产生的内建电场与热激发协同作用，促进被捕获的电子脱陷并沿能带斜坡漂移，以抑制侧壁区域的非辐射复合；

6、步骤s4、在所述inxga1-xn梯度层的外侧沉积al2o3覆盖层，厚度2~5 nm；

7、步骤s5、进行快速热退火。

8、在一具体实施方式中，所述步骤s2中的含氮远程等离子体为n2/h2等离子体，n2:h2流量比为3:1~5:1，处理时间为10~60秒，等离子体功率50~200 w，且等离子体源与晶圆之间设有接地栅网以滤除高能离子。

9、在一具体实施方式中，所述步骤s3中in组分x的渐变趋势通过以下方式实现：在原子层沉积循环中，以多个循环为一步，逐步增加三甲基铟前驱体的脉冲时间，并同步逐步减少三甲基镓前驱体的脉冲时间，总循环数为40~80。

10、在一具体实施方式中，所述inxga1-xn梯度层具有多晶或纳米晶结构，其产生的内建电场主要取决于平均组分梯度。

11、在一具体实施方式中，在步骤s2之前，还包括对纳米led晶圆进行远程氧等离子体预处理，以在侧壁表面形成羟基化层，提高后续原子层沉积的成核密度。

12、在一具体实施方式中，所述步骤s5的快速热退火在n2或真空氛围中进行，退火温度350~420℃，时间30~90 s，退火氛围为n2与nh3的混合气体，其中nh3体积分数为1~5%。

13、在本发明第二方面提供本发明第一方面所述工艺制备的纳米led器件，包括：

14、一gan基外延结构，包含n型层、多量子阱有源区和p型层；

15、多个纳米尺度的台面结构，相邻台面之间具有干法刻蚀形成的侧壁，侧壁深宽比≥3:1；

16、覆盖所述侧壁的复合功能层，从内向外依次包括：

17、inxga1-xn梯度层，其中，在垂直于侧壁的方向上，从侧壁表面向远离侧壁的方向，in组分x从0.15~0.20渐变至0，厚度为4~8 nm；

18、al2o3覆盖层，厚度2~5 nm。

19、在一具体实施方式中，所述inxga1-xn梯度层与所述多量子阱有源区的侧壁在空间上相邻，且所述能带斜坡的方向指向所述多量子阱有源区。

20、在一具体实施方式中，所述inxga1-xn梯度层与gan侧壁之间具有一厚度为0.5~1.5nm的界面互扩散层，该互扩散层由快速热退火过程中in、ga原子互扩散形成，其in组分呈连续过渡，且该互扩散层的晶格失配位错密度低于1×109cm-2。

21、在一具体实施方式中，所述al2o3覆盖层为多层结构，由内向外依次包括：第一al2o3子层、sio2中间层和第二al2o3子层；其中第一al2o3子层厚度为1~2 nm，由热ald沉积；sio2中间层厚度为0.5~1 nm，由等离子体增强ald沉积；第二al2o3子层厚度为1~2 nm，由热ald沉积。

22、本发明的有益效果：1）、本方面通过远程氮等离子体对刻蚀侧壁进行预处理，直接补充氮原子以修复氮空位缺陷，降低缺陷密度。然后，本发明通过在刻蚀侧壁上沉积inxga1-xn梯度层，且使高in组分（0.15~0.20）区域紧邻gan侧壁表面，在mqw高度处直接补偿了因刻蚀而损失或损伤的ingan阱层材料，恢复了被切割量子阱的完整性。该梯度层与残留的阱层侧壁形成连续组分过渡，消除了因阱层暴露面缺陷导致的大量非辐射复合中心。2）、本发明将侧壁从死区转变为载流子贡献区，通过能带工程将非辐射复合中心的载流子转化为有源区的有效发光贡献，相对于传统ald钝化能够有效提升内量子效率。3）、本发明梯度层中in组分从内侧（gan侧）向外侧（al2o3侧）由高变低，导带底ec相应从低到高，形成从al2o3界面指向gan侧壁表面的能带斜坡（δec=0.3~0.6 ev）。该斜坡产生的内建电场与热激发协同作用，通过poole-frenkel效应显著降低氮空位缺陷的电子脱陷势垒，使原本被束缚的电子跃迁至导带并沿斜坡向gan侧壁方向漂移。由于在mqw高度处侧壁暴露有ingan阱层（组分与梯度层内侧匹配），电子可直接注入阱层，与空穴辐射复合，将原本耗散的载流子转化为有效发光。

1.一种纳米led侧壁缺陷修复与性能恢复工艺，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中的含氮远程等离子体为n2/h2等离子体，n2:h2流量比为3:1~5:1，处理时间为10~60秒，等离子体功率50~200 w，且等离子体源与晶圆之间设有接地栅网以滤除高能离子。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s3中in组分x的渐变趋势通过以下方式实现：在原子层沉积循环中，以多个循环为一步，逐步增加三甲基铟前驱体的脉冲时间，并同步逐步减少三甲基镓前驱体的脉冲时间，总循环数为40~80。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述inxga1-xn梯度层具有多晶或纳米晶结构，其产生的内建电场主要取决于平均组分梯度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s2之前，还包括对纳米led晶圆进行远程氧等离子体预处理，以在侧壁表面形成羟基化层，提高后续原子层沉积的成核密度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s5的快速热退火在n2或真空氛围中进行，退火温度350~420℃，时间30~90 s，退火氛围为n2与nh3的混合气体，其中nh3体积分数为1~5%。

7.一种根据权利要求1至6中任一项所述工艺制备的纳米led器件，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的纳米led器件，其特征在于，所述inxga1-xn梯度层与所述多量子阱有源区的侧壁在空间上相邻，且所述能带斜坡的方向指向所述多量子阱有源区。

9.根据权利要求7所述的纳米led器件，其特征在于，所述inxga1-xn梯度层与gan侧壁之间具有一厚度为0.5~1.5 nm的界面互扩散层，该互扩散层由快速热退火过程中in、ga原子互扩散形成，其in组分呈连续过渡，且该互扩散层的晶格失配位错密度低于1×109cm-2。

10.根据权利要求7所述的纳米led器件，其特征在于，所述al2o3覆盖层为多层结构，由内向外依次包括：第一al2o3子层、sio2中间层和第二al2o3子层；其中第一al2o3子层厚度为1~2 nm，由热ald沉积；sio2中间层厚度为0.5~1 nm，由等离子体增强ald沉积；第二al2o3子层厚度为1~2 nm，由热ald沉积。