Micro-LED器件：从极性c面到非极性或半极性的发展趋势

王麒， 杨波波*， 李威晨， 邹军，2*， 杨雪舟，徐华， 钱麒， 陈俊锋， 李杨

（1.上海应用技术大学 理学院， 上海 201418；2.浙江安贝新材料股份有限公司， 浙江 湖州 313000；3.宁波朗格照明电器有限公司， 浙江 宁波 315000；4.广东皇智照明科技有限公司， 广东 中山 528400；5.惠创科技（台州）有限公司， 浙江 台州 318000；6.浙江绿龙新材料有限公司， 浙江 海宁 314419；7.西双版纳承启科技有限公司， 云南 西双版纳 666100）

1 引言

氮化镓（GaN）作为第三代照明材料，相比于第一代以硅（Si）、锗（Ge）为制备材料和第二代以砷化镓（GaAs）为制备材料有了很大的进展。GaN与第一、二代半导体材料相比［1］，具有高的击穿场强、饱和电子漂移速度和导热率等，且为直接带隙结构，有利于其中的电子与空穴的复合。GaN基半导体材料包括氮化铝（AlN）、氮化铟（InN）、GaN及其由此3种元素组成的合金化合物。GaN材料的禁带宽度为3.4 eV，有利于制作大功率和高功率的器件。GaN基材料合金的禁带宽度在0.7～6.2 eV范围内连续变化，可覆盖紫外到红外的整个可见光波段。GaN基材料一般具有闪锌矿和铅锌矿两种状态，闪锌矿结构一般在低温下成形，呈现出亚稳态；而铅锌矿结构在常规下呈现出热力学稳定相，为稳定态。

然而，由于传统极性GaN基材料在应用中会因量子限制斯塔克效应（QCSE）、绿色间隙、载流子传输等问题而导致其发光效率不高，因此，研究人员将目光投入到非极性或半极性GaN基材料的研究中。1974年，美国的Pankove和Schade等［2］采用分子束外延（MBE）技术生长了非极性GaN外延材料，从此开启了对非极性Ⅲ族氮化物的探索。2000年，Waltereit等［3］采用MBE在（100）面的r-LiAlO2衬底上生长出了非极性GaN器件结构，展示了m面的GaN量子阱（QWs）中没有极化电场。2006年Zou等［4］采用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在衬底上生长了m面GaN层。

一种基于GaN基材料的微型LED（Micro-LED）现已受到越来越多的关注。Micro-LED一般被定义为小于100 μm［5］，其概念开始是Jiang团队［6］在2000年成功制备了直径为12 μm的Micro-LED芯片。传统的LED芯片主要用于一般照明和显示背光模块。Mini-LED如今虽已大量商业化，能大幅提高液晶显示器（LCD）画质效果，适用于高动态范围成像（HDR）和柔性显示器等背光应用，但其本质仍为背光技术，因此仍然无法完全替代Micro-LED技术。与LCD和有机发光二极管（OLED）相比，Micro-LED具有体积小、自发光、分辨率高、宽色域、发光效率高、低功耗、色彩饱和度强、长寿命和响应速度快等优点［7］。因此，Micro-LED现已在多领域得到应用，如高端电视显示、可穿戴设备、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等，其产值也在大幅提升。根据市场研究机构Research and Markets的预测，全球Micro-LED市场在2027年将达到211.69亿美元，年复合增长率约为81.5%［8］。此外，据Yole估计，到2025年，Micro-LED显示屏市场将达到3.3亿台［9］。研究人员认为其是下一代显示技术的候选者。

本文介绍了非极性GaN基材料相较于极性c面所特有的优势，从芯片成形、图案刻蚀和阵列三方面介绍关于Micro-LED的技术改进，并对非极性或半极性Micro-LED器件的实际应用进行了展望。

2 非极性GaN基材料的优势

与传统c面LED相比，非极性GaN的QW中没有极化电场，内量子效率（IQE）较强，载波函数之间的重叠机率大，只要缺陷密度没有明显增加，QW可以在不降低IQE的情况下增厚。非极性GaN可以缓解QW过薄导致的多量子阱（MQW）器件中载流子传输不平衡的问题，从而能得到很好的应用［10］。

2.1 量子限制斯塔克效应（QCSE）

GaN基材料的极化效应分为自发极化（PSE）和压电极化（PPE），产生这两种极化的机理并不相同。自发极化是晶体内部结构引起的极化效应。因为纤锌矿结构不是中心对称的，即单位晶胞的正负电荷中心在空间的垂直方向上并不重合，因此在每个晶胞中会产生一个垂直方向的偶极矩。对于完整晶体而言，多个偶极矩的共同作用可等效成一个内建电场，此电场的方向也是垂直的。压电极化是由外力引起的极化效应。对于GaN等III族氮化物材料，这种外力主要来自于不同氮化物组成异质结时产生的相互之间的应力，应力根据方向的不同可以分为压应力或者张应力。极化效应是自发极化与压电极化的叠加效果。当材料受到张应力时，自发极化与压电极化方向相同，极化效应表现出较强状态；当材料受到压应力时，自发极化与压电极化方向相反，极化效应表现出较弱的状态。这种极化效应对光电器件是有害的。LED等大多数光电器件主要依靠QW中电子与空穴的复合发光，由于极化效应的存在，使其能带结构发生弯曲并且使电子与空穴在空间上发生分离，这便会减少电子与空穴在量子阱中的复合过程，从而导致光电器件的发光效率下降及发光波长的红移，这便是量子限制斯塔克效应（QCSE）［11］。为了消除QCSE对光电器件发光效率的影响，研究者们逐渐将视野投入到了非极性GaN材料上。

2.2 绿色间隙

在AlGaInP体系中，红色光谱区域可实现高IQE，但由于直接-间接带隙跃迁，黄绿光谱区域的IQE峰值明显较低。InGaN材料在整个可见光谱区域有直接带隙，因此具有高IQE的InGaN/GaN基的蓝色LED已经商用［12］。然而，无论采用何种材料，在绿色光谱区域内，氮化物基LED的效率显著下降，这种绿色到黄色LED的低效率被称为“绿色间隙”［13］。

导致氮化物基LED的低效率主要有两个原因：外延生长困难和QCSE较强［10］。InN与GaN之间的晶格失配约为10%，为了增加LED的发射波长，QW中的铟含量必须增加。对于绿色光谱区域的发射，QW中的铟含量必须在30%左右，这就使得QW与未应变GaN衬底层之间存在约3%的晶格不匹配。当活性区应变较大时，易产生新的缺陷，如凹坑、位错和堆积错误，从而使应变能降低。

QCSE还限制了LED在绿色光谱区域的性能。由于InGaN和GaN之间的极化不连续与晶格失配应变成正比，所以QW中铟含量较高的c面LED更容易受到QCSE的影响。与蓝色LED相比，绿色LED具有更强的波长漂移和更低的IQE。外延生长中的挑战可以通过应变管理［14］和进一步优化生长条件［15］来解决。然而，QCSE的局限性源于材料的性质，这很难通过工程解决。因此，沿着没有或减少内部极化的晶体方向生长器件，以进一步提高绿隙中的器件性能，具有重要的意义。

2.3 MQW LED中的载流子传输问题

c面LED的QW厚度较薄是为了保持良好的IQE，因此增加QW的数量是增加传输总容量的常用方法。然而，MQW LED的有效体积受到QW间载流子传输的限制。导带中的电子比价带中的空穴具有更小的有效质量和更高的迁移率，导致QW中的载流子分布不均匀［16］。

对于InGaN/GaN QW，导带（ΔEc）的带偏要高于价带（ΔEv）的带偏，故电子通过热离子发射逸出QW应该有更高的势垒。然而，有关实验表明，空穴传输是c面MQW LED的主要限制因素［17］。生长出高度p掺杂的AlGaN层作为电子阻挡层（EBLs）上方的活性区域，以缓解电子泄漏问题［18］。Schubert等［19］将电子泄漏问题归结为电子注入QW后停留时间短，很深的传导偏移和较小的有效质量使注入QW的电子具有较高的初速度。在一个薄的QW中，注入的电子有很大的概率相干地穿过QW而不被声子松弛捕获。Sizov等［20］提出，长波长LED和激光二极管（LD）的主要输运机制是弹道输运，而不是常用的漂移-扩散输运模型。上述研究均表明QW中极化相关电场有利于弹道输运。QW/势垒界面上的片状电荷加速了电子注入，并显著减少了它们的停留时间。对于注入QW的空穴，由于导带偏移量小、有效质量大，其初始速度要低得多。孔洞在QW中发生弹道运输的概率要小得多。对于那些通过热离子发射或与声子相互作用逃离QW的空穴，势垒中强极化相关的电场阻止了相邻QW之间的空穴注入，导致大多数注入的空穴填充在最靠近p侧的QW中。

为了提高c面MQW LED的空穴注入效率，人们提出了许多势垒结构，如掺Mg势垒［21］、InGaN势垒［22］、成分梯度InGaN势垒［23］等。然而，掺镁会导致镁扩散到QW中，降低器件的IQE，而使用InGaN势垒则会导致应变管理问题。由于非极性和半极性LED没有或减少了极化电场，与c面LED相比，空穴注入效率得到了提高［24］。

2.4 效率下降问题

虽然在低注入电流密度下具有高IQE峰值的LED已经上市，但随着注入电流的增加，其效率会迅速下降，这种随着注入电流密度的增加IQE恶化的现象被称为“效率下降”［10］。为了增加商用LED的总辐射通量，人们增大了总芯片面积而非提高电流密度，虽然这样制造成本有所增加，但效率得到了保证。因此，解决LED的照明效率下降问题迫在眉睫。

Lumileds认为俄歇复合是效率下降的主要原因［25］。俄歇复合是一种非辐射复合过程，其速率与材料中载流子密度n的立方成正比。Lumileds观察到，随着激发功率的增加，InGaN层的光致发光（PL）效率有所下降。此实验在零偏置条件下进行，以排除有源区域载流子动力学的影响。他们给出的结论是，无论器件的设计如何，下降都是材料的固有属性。UCSB的Kioupakis等人［26］用InGaN中俄歇重组系数（C）的第一性原理计算支持了这一结论。有人认为声子辅助空穴-空穴-电子的俄歇复合过程在高载流子密度下起主导作用，特别是在长波长的发射中。Lumileds理论提出的解决方案是使用较厚的InGaN QW来降低有源区的载流子密度［27］。Li等人［28］观察到，通过将QW厚度从2.5 nm增加到13 nm，c面LED的峰值效率从10 A/cm2提高到200 A/cm2，这与Lumileds的观点一致。

然而，伦斯勒理工学院的研究人员认为，高注入电流下的电子泄漏是效率下降的主要因素，而非俄歇复合。在QW/势垒界面上，由于电子的有效质量较小且存在片状载流子，因此电子被扫过了有源区域。那些未被QW捕获的电子最终会消失在有源区域之外，导致在高注入下效率降低。三星公司使用了四元（Al，In，Ga）N合金作为势垒，以匹配势垒和QW之间的极化［29］。在设计氮化材料的极化和带隙时，使用四元合金提供了另一个自由度。当势垒和量子阱的极化相同时，可以消除界面处的片状电荷。弗吉尼亚联邦大学的研究人员［30］设计了具有阶梯式电位的QW以减轻热电子的影响，效率有所提高。Wang等［31］在MQW c面LED中使用了渐变InGaN势垒来改善空穴传输，当QW中有更均匀的载流子分布时，下降问题得到了改善。使用原子探针断层扫描（APT）［32］的研究表明，QW中铟成分的波动可能是光谱展宽的原因。然而，更高的载流子密度会增强俄歇复合且较小的活动体积也会增加溢流的机率。Micro-LED由于尺寸小、散热好，与一般大尺寸LED仅能承受几十或几百A/cm2的饱和电流密度相比，Micro-LED更适合高的注入电流密度环境［33］。

3 Micro-LED的改进技术

对于显示器件而言需具备以下几个重要的性能指标：（1）高动态范围（HDR）和高环境对比度（ACR）［34］；（2）高分辨率；（3）宽色域［35］；（4）宽视角和不明显的角度色移［36］；（5）快速的运动图像响应时间（MPRT）［37-38］；（6）低功耗；（7）轻薄级系统与低成本。已有研究证明，Micro-LED显示器满足了高亮度（＞10 000 000 cd/m2）［39］、高PPI（＞5 000）［40］、快速MPRT、低功耗和长寿命的所有要求［41］。然而，Micro-LED目前依然面临着巨量转移、晶圆键合和全彩工艺的问题，提高其良率变得尤为迫切，而采用芯片成形、图案蓝宝石衬底（PSS）、空腔阵列（AVA）和表面纹理等技术使得Micro-LED的光提取效率有了不断提高。

3.1 芯片成形

目前GaN材料与器件主要在蓝宝石衬底上生长和制备，这种在不同衬底上外延的方法称为异质外延。异质外延导致的晶格失配会使生长的材料具有较高的缺陷密度，同时也会产生较大的应力［42-43］。同质外延技术被认为是非极性或半极性外延的理想解决方案，然而同质外延的自支撑非极性面GaN衬底仍然存在尺寸小、价格昂贵的问题。制备高质量非极性GaN的方法一般采用或借鉴异质外延c面GaN的方法（如图1所示），异质外延的非极性GaN中仍存在大量的缺陷［44］。这种表面缺陷的存在会产生非辐射复合，在外延时有如位错或蚀刻坑等缺陷会导致垂直GaN p-n二极管的反向泄漏的问题［45］，且随LED尺寸缩小，缺陷会严重影响器件的性能。因此寻找一种简便而又有效的制备高质量非极性GaN外延的方法是十分必要的。研究者们在芯片上采用纳米线或纳米球结构，通过异质外延方法来解决缺陷位错问题。

图1 GaN晶体结构的c面、a面、m面及r面。Fig.1 c-plane， a-plane， m-plane and r-plane of GaN crystal structure.

Lu等［46］报道了一种纳米线（NWs）上的非极性GaInN/GaN多量子壳（MQSs）结构（图2）。通过MOCVD的选择性生长，在n型GaN/蓝宝石模板上制备了这种NW结构。实验表明，MQS NWs的最佳生长条件为3对MQS，其中GaInN/GaN在750 ℃下分别生长4.3 min、21.2 min。此外，在低温生长或长时间生长的NW样品中，富In薄片的形成是由于r面向结方向扩散的前驱体和对应物上撞击的吸附原子诱导的过度生长。随着GaN势垒厚度的增加，r面和m面交界处富In液滴的形成受到抑制。该结果证明了实现高发射强度、无位错m面同轴NWs的可行性，对于提高基于NWs的白光和Micro-LED的性能有很大的前景。

图2 NW样品a1，a2和a3的平面（ai）～（ci）和截面（aii）～（cii）SEM图像，其中MQS分别在730 ℃、740 ℃和750 ℃下生长；（aiii）～（ciii）样本对应的CL映射图像；（d） NW样品的扫描CL谱［46］。Fig.2 （ai）～（ci） Planar and （aii）～（cii） cross-sectional view SEM images of the NW samples a1， a2， and a3， where the MQS were grown at 730 ℃， 740 ℃， and 750 ℃， respectively. （aiii）～（ciii） Corresponding CL mapping of the samples； （d）Survey-scanned CL spectra of the NW samples［46］.

图3 不同沉积速率（a） 0.15 mm/min，（b） 0.3 mm/min，（c） 0.6 mm/min的二氧化硅纳米球沉积在GaN/蓝宝石模板上的SEM图像；（d，g）多层、（e，h）密实填充ML和（f，i）松散填充ML的二氧化硅纳米球完全凝聚样品的平面SEM和室温全色CL图像［47］。Fig.3 SEM images of silica nanospheres deposited on a GaN/sapphire template with different deposition rates （a） 0.15 mm/min， （b） 0.3 mm/min，（c） 0.6 mm/min. Plan-view SEM and roomtemperature panchromatic CL images of fully coalesced samples with （d，g） multilayer， （e，h） densely packed ML， and （f，i） loosely packed ML of silica nanospheres［47］.

3.2 图案刻蚀技术

采用图形衬底生长无极性GaN有助于降低无极性GaN外延层的缺陷和增加光提取效率。研究者也尝试在外延生长过程中在GaN外延层中插入SiNx中间层，以提高外延层的结晶质量［49］。这种获得高质量GaN外延、降低缺陷密度的方法主要通过以下两个手段：一是利用图形衬底或者插入层来减少缺陷的产生与传播；二是利用横向生长来使位错弯曲。图形衬底的引入可以有效达到减少缺陷的目的，合适的图形衬底也可以获得较大的横向生长空间。然而，芯片侧壁损伤效应也是Micro-LED效率下降的一个重要因素。在所有方法中，使用原子层沉积的侧壁钝化被认为是抑制漏电流和表面缺陷的最有效技术［50-51］。Wong等［52］正是采用化学处理和原子层沉积相结合的方法使Micro-LED的理想因数从3.4提高到2.5。结果表明，在干法刻蚀后，通过适当的侧壁处理可以解决尺寸依赖效率的问题。此外，湿化学处理，如氢氧化钾和硫化铵，已被用于改善光电性能，并减少传统LED干法刻蚀造成的侧壁损伤［53］。

图5 在图案蓝宝石衬底上生长的GaN的光学显微镜图像。（a） CMP工艺前和（b） CMP工艺后；（c） CMP工艺后的GaN/蓝宝石的2 in（1 in=2.54 cm）图像；（d）扫描面积为10 μm×10 μm的AFM图像［54］。Fig.5 Nomarski optical microscope images of GaN grown on the patterned sapphire substrate.（ a）Before and （b） after the CMP process； （c） Photo of a 2 in（1 in=2.54 cm） GaN/sapphire after the CMP process； （d） AFM image with a scanning area of 10 μm×10 μm［54］.

Kong等［55］以有图案的蓝宝石为衬底，使用c面GaN平面蓝宝石衬底（PSS）技术，生长了缺陷密度较低的非极性a面GaN（a-GaN）脱皮层（如图6所示）。初始GaN沿半球图案的脊部拉长，显示出不同的晶体取向，这是从平面蓝宝石衬底区域快速沉积的横向过度生长的结果。由于缺陷的倾斜和外延横向过度生长，a-GaN薄膜在半球图案上的缺陷显著减少。此外，在r-PSS的顶部还产生了空洞和锯齿形棱柱状的堆积错误（PSFs）等缺陷。对于r-PSS上的a-GaN薄膜，基底层错和部分位错密度分别降低到8.0×105cm-1和8.4×109cm-2。此半球形r-PSS上的非极性a-GaN薄膜表现出优异的晶体质量和较低的缺陷密度。

图6 基于TEM显微结构表征的r-PSS上非极性a-GaN薄膜生长演化示意图［55］Fig.6 Schematic diagrams showing the growth evolution of nonpolar a-GaN films on r-PSS， based on microstructural characterization by TEM［55］.

同样，Son等［56］报道了利用蚀刻的a-GaN在r面蓝宝石衬底上生长了整体缺陷密度低、晶粒质量较高的非极性（11-20）a-GaN层，图7为a-GaN层生长示意图。采用脉冲NH3间断蚀刻法刻蚀a-GaN层，随后在蚀刻的a-GaN层上重新生长了2 μm厚Si掺杂的a-GaN层，获得了具有低穿线位错密度（7.5×108cm-2）和低基底层错密度（1.8×105cm-1）的全聚结n型a-GaN层。与平面样品相比，（11-20）x射线摇摆曲线的半极值全宽沿c轴方向减小到518 arcsec，沿m轴方向减小到562 arcsec。此基于a-GaN层的LED器件经过脉冲NH3中断蚀刻后，由于光散射和MQW中非辐射重组中心数量的减少，其性能优于平面LED器件。

图7 a-GaN层生长示意图。（a）用SiO2纳米柱掩膜在r面蓝宝石衬底上生长a-GaN层；（b）在a-GaN层上制备SiO2纳米柱掩膜；（c） a-GaN层蚀刻工艺；（d）蚀刻a-GaN层；（e） a-GaN层完全聚结［56］。Fig.7 Schematic diagram of a-GaN layer growth. （a） a-GaN layer grown on r-plane sapphire substrate with SiO2 nanopillar mask；（b） Fabrication of SiO2 nanopillar mask on a-GaN layer； （c） a-GaN layer etching process；（d） Etched a-GaN；（e） Fully coalescent a-GaN layer［56］.

3.3 阵列技术

2000年堪萨斯州立大学的J. Y. Lin等人［57］制备了直径为12 μm、间距为50 μm的微盘发光二极管阵列。2006年，长春光机所梁静秋等人［58］通过湿法腐蚀工艺制备了像素尺寸为16 μm×20 μm的红光Micro-LED阵列。2010年，斯特克莱德大学的Z.Gong等人［59］制备了像素数为64×64、发光波长为560 nm、像素间距50 μm的绿色Micro-LED阵列。2012年，斯特克莱德大学的Shuailong Zhang等人［60］由高In摩尔分数的InGaN外延结构制作了一种颜色可调、可单独寻址的Micro-LED阵列，该器件能实现多色显示效果。Micro-LED阵列是在较小面积内集成的高密度、微尺寸的LED二维阵列，其微尺寸、高亮度等优点使之可以应用在高分辨显示、超分辨显微镜和可见光通信等众多领域［33］。由于Micro-LED具有更高的面体积比，有更多的光从Micro-LED的表面溢出，因此其具有更高的光萃取效率；又因为Micro-LED可以承受更高的电流密度，电流密度的增加使光功率密度也随之增加，因此Micro-LED具有更高的光功率密度。

与c面Micro-LED相比，非极性或半极性Micro-LED具有更好的电学和光学性能，且采用阵列技术不仅对QSCE起到抑制作用还对Micro-LED在色域上有一定的提高。Xu等［61］制造了一种半极性平面Micro-LED阵列（如图8所示）。在注入电流密度为775.6 A/cm2的条件下，半极性Micro-LED的相对EQE保持在62%，表明由于MQW的极化减小，效率下降减小。在注入电流密度从11.1 A/cm2到775.6 A/cm2时，发射峰蓝移显著，降低了55%。此外，还研究了不同像素大小的半极性Micro-LED的载流子重组动力学和空间光分布。研究结果表明，小尺寸半极性Micro-LED是一种很有前途的高调制带宽光源。

图8 （a）图案蓝宝石衬底上半极性Micro-LED样品的三维原理图和晶体取向；（b）半极性Micro-LED阵列的SEM图像（插图：0.1 mA注入电流下的发光照片）［61］。Fig.8 （a） 3D schematic diagram and crystal orientation of semi-polar Micro-LEDs samples on pattern sapphire substrates； （b） SEM image of semi-polar Micro-LEDs array， Inset： Photo of luminescence under the injection current of 0.1 mA［61］.

Chen等［62］报道了一种具有高颜色稳定性的全彩Micro-LED阵列，该阵列由半极性（20～21）蓝色LED制成，并采用了量子点光刻胶（QDPR）颜色转换层。图9为制作全彩色RGB像素阵列的工艺流程。采用取向控制外延法在大尺寸（4 in（1 in=5.4 cm））图纹蓝宝石衬底上制备了半极性（20-21）的InGaN/GaN Micro-LED。在200 A/cm2的注入电流密度下，半极性Micro-LED的峰值波长偏移3.2 nm，效率下降14.7%，表明其QCSE得到了显著改善。由于半极性Micro-LED的发射波长稳定，RGB像素随着电流密度的变化几乎没有色移，并获得了较宽的色域（114.4% NTSC和85.4% Rec.2020）。此外，新兴的量子点材料因其发射光谱可覆盖整个可见光波段等优点对Micro-LED的全彩显示有很大的提升［63］。Han等［64］首次开发了气溶胶喷射打印技术，将RGB量子点喷涂到芯片尺寸为35 μm×35 μm的UV Micro-LED阵列表面，从而实现了全彩Micro-LED显示屏，该研究实现了全彩色量子点转换显示器，为后续的研究奠定了良好的基础。

图9 制造全彩色RGB像素阵列的工艺流程。（a） Micro-LED阵列工艺；（b）黑色PR矩阵和p电极金属线；（c）红、绿、蓝（透明）像素光刻工艺；（d）彩色像素绑定［62］。Fig.9 Process flow for the fabrication of a full-color RGB pixel array. （a） Micro-LED array process； （b） Black PR matrices and p-electrode metal lines； （c） Red，green， and blue （transparent） pixel lithography process； （d） Color pixel bonding［62］.

Wang等［65］报道了在二氧化硅孔阵列图样的r-蓝宝石衬底（HPSS）上直接生长的a面GaN的生长特性。图10为MHPSS和NHPSS制备工艺示意图。与半球形PSS相比，在r-蓝宝石上引入SiO2孔阵列图样掩膜减少了GaN与蓝宝石之间的界面。在这种情况下，一些源于GaN与蓝宝石界面的缺陷可以被有效地抑制。实验发现，优化后的a面GaN薄膜的x射线摇摆曲线-半高全宽（XRC-FWHM）沿m方向为513 arcsec，沿c方向为531 arcsec，且BSF密度降低了一个数量级。这一结果表明，由于沿m轴的横向过度生长增强而导致的更大的镶嵌尺寸有助于消除各向异性。这些结果有望为培育高晶体质量的a面氮化镓模板提供有利依据。

图10 MHPSS和NHPSS制备工艺示意图［65］Fig.10 Schematic diagram of the MHPSS and NHPSS preparation process［65］

发射波长的纳米结构光源阵列的集成对于光电集成单片电路也具有重要意义。Hong等［66］报道了在c面蓝宝石或Si衬底上集成成分调制的非极性m面InxGa1-xN/GaN MQW的GaN基p-n结多壳纳米管微阵列的制备和光学性能（如图11所示）。通过改变InxGa1-xN MQW的铟摩尔分数（0.13≤x≤0.36），将发射波长控制在绿色到紫色的可见光谱范围内。通过在有序的纳米管阵列上异质外延形成具有均匀QW宽度和MQW，实现了纳米管LED阵列整个区域的均匀发射。重要的是，由于m面纳米管非极性MQW中缺乏自发固有电场，从而抑制了QCSE和带填充，在3 V以上的开启电压下观察到波长不变的电致发光发射。该方法在常用的c面蓝宝石和Si衬底上的单片非极性光子和光电子器件中具有潜在的应用前景。

图11 氮化镓基多壳纳米管异质结构LED阵列。（a）纳米管LED阵列和单个纳米管LED示意图；（b）纳米管LED阵列的倾斜视图FESEM图像；（c）在670，720，760 ℃下生长的纳米管MQW的镓（空方块）和铟（实圆）的L特征射线的EDX强度线轮廓（从左到右）（截面样品沿径向方向得到了剖面）［66］。Fig.11 GaN-based multishell nanotube heterostructure LED arrays.（a） Schematic diagrams of the nanotube LED arrays and a single nanotube LED；（b）Tilted view FESEM image of the nanotube LED arrays； （c） EDX intensity line profile of the L-characteristic rays of gallium （empty squares）and indium （solid circles） for nanotube MQWs grown at temperatures of 670， 720， 760 ℃ （from left to right）. The profiles were obtained along the radial direction from cross-section samples［66］.

4 总结与展望

随着微纳米制造能力和新结构设计的发展，Micro-LED显示器存在的问题，如QCSE、显示分辨率、像素间距、器件EQE、色彩转换效率和光串扰等都得到了缓解。在行业发展动态中，目前Micro-LED能实现70%的透明度。不难发现，Micro-LED趋于高的灵活性与透明度的柔性显示。新兴材料的出现也助力了Micro-LED的发展，如量子点材料有显著的光致发光、窄带宽发射、颜色可调性、高量子产率和纳米级尺寸，为Micro-LED显示器提供了强大的全彩解决方案。然而，Micro-LED完全实现商业化还面临着巨量转移等诸多难题，使Micro-LED成为下一代显示引领者任重而道远。

GaN基材料虽然在第一、二代照明器件材料上有了很大进步，但传统c面GaN器件实际应用中仍存在诸多问题。本文介绍了Micro-LED作为下一代显示技术替代者所特有的优势，从传统c面生长的LED的QCSE、绿色间隙、MQW LED中的载流子传输和效率下降几个问题出发给出了非极性GaN基材料的优势。介绍了非极性或半极性GaN基Micro-LED从芯片成形、图案刻蚀与阵列这3种改进技术上来提高芯片发光性能。从中发现，非极性和半极性GaN基Micro-LED因其无极化电场或弱电场、载流子复合机率大等优点对消除缺陷、提高光功率密度和实现全彩显示有很大作用，这种效果越来越被人们所重视，也为Micro-LED器件提供了新的发展趋势。