Tecnologías avanzadas de deposición de capas atómicas para micro-LED y VCSEL

Rendimiento WHTOL (85 ° C / 85% de humedad) de chips VCSEL, a dispositivo A, solo SiN _x como capa de pasivación, b dispositivo B, Al ₂ O ₃ / SiN _x como capas de pasivación

Tecnologías ALD para el DBR de VCSEL

El depósito de DBR de VCSEL por ALD tiene la ventaja de una buena adhesión con el sustrato de zafiro y un buen estado en la interfaz de diferentes capas dieléctricas de DBR [80]. Según la estructura del VCSEL, la cavidad en la dirección vertical del láser está formada por dos grupos de espejos que sujetan la capa activa, y la luz se refleja entre el p-DBR y el n-DBR varias veces antes de propagarse al aire. . La estructura del DBR consta de dos tipos de materiales semiconductores con diferentes índices de refracción, y el espesor periódico del DBR debe controlarse con precisión en λ / 4 (λ denota la longitud de onda central). Los métodos de diseño y crecimiento forman la base para la fabricación de DBR de alta reflectividad. Para un DBR de alta calidad, el efecto de interferencia de fase ayuda a fortalecer la luz en la cavidad, mientras que la alta reflectividad del DBR (> 99%) puede mejorar en gran medida la ganancia de umbral y la eficiencia cuántica de los VCSEL. Para lograr una alta reflectividad, una banda de parada ancha y una respuesta de fase suave, los períodos del DBR deben estar entre 20 y 40, y los materiales utilizados en su fabricación deben tener una gran diferencia en el índice de refracción. En este caso, muchos grupos han informado que AIA / GaAs, Al ₂ O ₃ , HfO ₂ , SiO ₂ , etc., son adecuados para el crecimiento de DBR.

Existen varios métodos de crecimiento para DBR, incluida la epitaxia de haz molecular (MBE) y la deposición de vapor orgánico metálico (MOCVD). Sin embargo, ALD también es un método de crecimiento preciso para DBR. Dado que el DBR preparado por ALD con bajo espesor, alta reflectividad y baja rugosidad puede mejorar las propiedades de los VCSEL de manera efectiva, muchos investigadores han investigado técnicas para mejorar el DBR utilizando técnicas de ALD. Por ejemplo, en 1997, Huffaker [81] propuso que la deformación debida al menor DBR se puede reducir utilizando Al _x O _1-x capas cuyo espesor era menor que el de un cuarto de onda. En 2013, Guo et al. [82] informó que se ha demostrado que el DBR elaborado por el proceso ALD tiene mejor calidad que el elaborado por EBE, y el tiempo del proceso ALD es casi el mismo que el proceso EBE o incluso menos. Además, para cultivar un DBR compuesto de al menos dos o más tipos de materiales, generalmente es necesario aumentar y disminuir la temperatura con frecuencia en el proceso EBE, mientras que la temperatura se puede mantener igual en el proceso ALD para depositar diferentes materiales. En 2017, Liu [83] informó que el método ALD podría aplicarse para preparar capas de alta calidad con una interfaz nítida y buena uniformidad. Por lo tanto, ALD es adecuado para depositar DBR de alta calidad.

Por ejemplo, Sakai et al. propuso la fabricación en oblea de diodos láser (LD) UV-C de espejo grabado con un DBR depositado en ALD, que contribuyen a reducir el umbral de densidad de corriente láser. En este estudio, cuatro períodos de HfO ₂ y Al ₂ O ₃ se depositaron utilizando ALD para el DBR. Al ₂ O ₃ fue seleccionado como el material de índice de refracción más bajo porque su tasa de deposición es notablemente más alta que la del SiO ₂ . La Figura 12 muestra la imagen TEM de DBR depositada por ALD, que muestra el excelente espesor y calidad de DBR.

Imagen TEM del DBR depositada con ALD [84]

La técnica de MOCVD se ha utilizado ampliamente en la deposición de DBR por muchas ventajas, como el control preciso del crecimiento de la película y la deposición de película de alta calidad. Sin embargo, en el proceso de producción real, la condición de la interfaz se verá afectada en la interfaz de diferentes capas dieléctricas de DBR; de lo contrario, el método de diseño de DBR requeriría una optimización compleja, como la deposición de otra capa amortiguadora adicional en la interfaz de diferentes capas dieléctricas. La Figura 13a muestra el cálculo del método de matriz de transferencia (TMM) para la reflectividad de DBR con MOCVD sin la inserción de la capa tampón. Los espectros de reflectividad del HfO ₂ / Al ₂ O ₃ Los DBR depositados con ALD son más consistentes con el espectro TMM calculado en la Fig. 13b [85]. En este caso, la técnica de ALD puede depositar DBR con una mejor interfaz entre diferentes capas dieléctricas en comparación con MOCVD (Fig. 14).

Espectros de reflectancia medidos y calculados del DBR diseñado depositado con a MOCVD, b ALD [84, 85]

un Superposición de espectros Ga3d-In4d normalizados para muestras de ALD y PEALD sin, con HCl o con NH ₄ Tratamiento superficial OH, b Relaciones Ga3d-In4d para las mismas muestras en comparación con Al ₂ O ₃ superficies libres [86]

Tecnologías ALD para múltiples pozos cuánticos de VCSEL

Owing to the high requirement for optical gain in VCSELs, most devices use MQWs as the active region. In general, when the MQW period increases to a certain value, the threshold current density of the VCSEL is mainly caused by the following three factors. First, for the width of the quantum well, the active region cannot overlap with the peak position of the waveform. The farther the quantum well from the peak position, the lower is its gain efficiency. Therefore, distant quantum well regions cannot play a significant role in improving the optical gain. Second, there is a direct proportional relationship between the total transmittance current and period of MQWs. The total transmittance current increases with the MQW period because the transmittance current is a part of the threshold current of the device. Therefore, the threshold current of the device will increase with the transmittance current. Third, as the current increases, the slope of the optical gain to current curve will decrease, increasing the threshold current of the device. Hence, thin MQWs with high crystalline quality and optical properties are promising candidates for realizing VCSELs.

For the MQWs of VCSEL, ALD can optimize the interface properties and surface recombination of MQWs [80, 83,84,85]. In the last several decades, methods for optimizing MQWs using ALD have been studied. In 2008, Lo et al. reported the successful growth of high-quality ultraviolet (UV) AlGaN/GaN MQWs structures using ALD [87]. In the same year, Bosund et al. [88] proposed that a thick TiN passivation layer deposited by ALD on top of InGaAs/GaAs can significantly increase the photoluminescence intensity and carrier lifetime of the MQWs, while Li et al. reported that a low dislocation density ultraviolet (UV) AlGaN/GaN MQW structure can be grown using the ALD technique. In 2019, Lee et al. [89] proposed that the emission intensity of the 860 nm GaAs VCSEL with SiN anti-reflection film was significantly increased (compared to the VCSEL without the SiN anti-reflection film) to improve the light extraction efficiency of a VCSEL. Here, we cite a few studies as examples.

A deep understanding of semiconductor–dielectric interface properties will provide guidelines for optimizing efficient passivation solutions for InGaN/GaN-based µ-LEDs. To this end, quantum well (QW) semiconductors are of tremendous interest because many surface recombinations are likely to occur at the edges of the LED active regions and are probably responsible for the low µ-LED efficiencies. Thus, Le Maoult et al. [86] studied the X-ray photoemission (XPS) and wavelength dispersive X-ray fluorescence (WDXRF) characteristics of In_0.1 Ga_0.9 N surfaces after acid, base, or sulfur-based chemical treatments followed by ALD of Al₂ O₃ thin films with TMA/H₂ O or TMA/O₂ plasma (plasma-enhanced ALD) at 250 °C.

The ALD of Al₂ O₃ with H₂ O as a weak oxidizer does not seem to significantly modify the InGaN surface. Indium depletion occurs as the In4d intensity decreases, as observed previously in the case of the HCI or NH₄ OH-treated surfaces only (upper portion of Fig. 15a, b). On the contrary, during the PEALD of A1₂ O₃ (strong oxidizer), the NH₄ OH-treated surfaces changed compared to HCl because the In4d component level is indistinguishable from the PEALD reference (as illustrated by Fig. 15a, bottom, and 15b). Then, if indium is assumed to be the main species sensitive to plasma-induced oxidation, the indium-depleted surfaces after HCI treatment would indeed remain in a stable state of oxidation regardless of the ALD or PEALD process. On the contrary, a higher proportion of indium from the NH₄ OH-treated surfaces is more likely to be oxidized by the plasma species.

un Superposition of normalized Ga3d-In4d spectra for ALD and PEALD samples without, with a 30’ (NH₄ )₂ S or with a NH₄ OH + 30’ (NH₄ )₂ S surface treatment, b proportion of O1s components and total indium contribution using In4d line [86]

If a 30' (NH₄ )₂ S surface treatment with or without prior treatment with NH₄ OH is performed before ALD, the quantitative analysis seems to report (Fig. 15b) results similar to those observed previously without the alumina layer. As an example, a similar decrease in the indium proportion was observed (~ 75%). However, a slight increase in the O–Al-related component from the O1s line was observed for the sample that underwent the double surface treatment, probably owing to the increased surface hydrolysis by the first NH₄ OH treatment. Thus, ALD does not seem to significantly modify the initial state of the (NH)S-treated surfaces. However, these results do not provide quantitative information regarding the proportion of sulfur after the deposition of Al₂ O₃ by ALD. Considering that sulfur was adsorbed on InGaN before deposition, further investigations are required to determine the evolution of sulfur bonds after ALD of Al₂ O₃ , especially if binding state differences with stronger oxidizing processes such as PEALD are evident.

ALD Technologies for the Transparent Electrode of VCSEL

For the transparent electrode of VCSEL, ALD can deposit the electrode with high transparency and good current spreading properties [90]. In terms of the current spreading of the conventional VCSEL, the metal electrode has good current spreading properties, but strongly absorbs the emitted light. Hence, the conventional VCSEL relies on the upper heavily-doped layer for current spreading. However, since the upper heavily-doped layer has poor current spreading performance and absorbs part of the emitted light, the light output power of the device is lowered. Therefore, a transparent conductive oxide (TCO) film deposited by ALD, exhibiting excellent photoelectric performance, can solve the current spreading problem described above.

Figure 16 shows the SEM images of ZnO films deposited on Si with ALD and CVD modes as the transparent conductive materials, which can be applied to new-generation photovoltaic devices. So far, there are few studies and reports on the application of TCO films in VCSEL devices. At present, the indium tin oxide (ITO) films are used in VCSEL devices. In 1997, C. L. Chua et al. [91] first reported the top-emitted VCSEL with a transparent tin oxide electrode. In this study, the peak transmittance of ITO is 96%. In 2002, Jiang et al. [92] studied the P-type ohmic contact of ITO as an 850 nm GaAs-based oxide restricted type VCSEL. In comparison with VCSELs with traditional Ti/Au contact, they found output power of the VCSEL with ITO contact is 1.27 times higher than the VCSEL with T/Au contact. In 2014, Meng et al. [93] found that the output power of the 850 nm GaAs oxide-confined VCSEL with an ITO transparent conductive film is 1.18 times higher than the traditional VCSEL.

SEM images of ZnO films deposited on Si using ALD and CVD [90]

At present, the commonly used techniques for preparing TCO are magnetron sputtering, pulsed laser deposition, CVD, ALD, etc. However, it is difficult to achieve large-scale and large-area film formation using magnetron sputtering, the film deposited by pulsed laser deposition is uniform, and it is difficult to prepare large-area films while the deposition temperature for CVD is high, which renders it unsuitable for some devices that need to be prepared at low temperature. ALD possesses the advantage of highly controllable deposition parameters and the film deposited by it is characterized by good uniformity, absence of pinholes, and excellent shape preservation for film graphics. In this case, the oxide (TCO) film deposited by ALD can improve the properties of VCSELs.