Teknologi Deposisi Lapisan Atom Tingkat Lanjut untuk Micro-LED dan VCSEL
Abstrak
Dalam beberapa tahun terakhir, persyaratan proses perangkat nano telah menyebabkan pengurangan bertahap dalam skala perangkat semikonduktor, dan cacat dinding samping yang tidak dapat diabaikan yang disebabkan oleh etsa. Karena deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma tidak lagi dapat memberikan cakupan langkah yang memadai, karakteristik teknologi ALD deposisi lapisan atom digunakan untuk memecahkan masalah ini. ALD memanfaatkan interaksi yang membatasi diri antara gas prekursor dan permukaan substrat. Ketika gas reaktif membentuk satu lapisan bahan kimia yang teradsorpsi pada permukaan substrat, tidak ada reaksi yang terjadi di antara mereka dan ketebalan pertumbuhan dapat dikontrol. Pada level , dapat memberikan cakupan langkah yang baik. Dalam penelitian ini, penelitian terbaru tentang pasif ALD pada dioda pemancar cahaya mikro dan laser pemancar permukaan rongga vertikal ditinjau dan dibandingkan. Beberapa metode pasif telah didemonstrasikan untuk meningkatkan efisiensi cahaya, mengurangi kebocoran, dan meningkatkan keandalan.
Pengantar
Perkembangan teknologi deposisi lapisan atom (ALD) dimulai pada tahun 1970-an. Pada tahun 1977, Dr. Tuomo Suntola dari Finlandia, secara resmi mengajukan paten pertama untuk teknologi ALD [1]. Antara 1983 dan 1998, teknologi ALD diterapkan pada produksi tampilan elektronik di Bandara Helsinki di Finlandia. Pada akhir 1990-an, karena pengenalan proses ALD di industri semikonduktor, dana penelitian dan pengembangan yang cukup besar dan tenaga kerja diinvestasikan yang memberikan kontribusi signifikan terhadap pertumbuhan pesat teknologi proses ALD. Pada tahun 2007, Intel menggunakan teknologi proses ALD untuk menumbuhkan hafnium dioksida (HfO2 ) lapisan passivasi gerbang, yang diterapkan pada transistor efek medan setengah oksida logam pada mikroprosesor 45 nm, semakin mengkonsolidasikan pentingnya teknologi proses ALD dalam industri semikonduktor [2].
ALD didasarkan pada reaksi kimia permukaan [3] dan dicirikan oleh akurasi ketebalan tingkat atom yang sangat baik, keseragaman area yang luas, dan kesesuaian film pada struktur dengan rasio aspek yang tinggi. Tidak seperti deposisi uap kimia tradisional (CVD) atau deposisi uap fisik (PVD), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, proses ALD biasanya menggunakan dua prekursor kimia yang berbeda. Ini dilewatkan ke dalam ruang reaksi pada waktu yang berbeda untuk membentuk dua reaksi setengah siklus, dan semua reaksi kimia dibatasi ke permukaan oleh chemisorption. Kedua reaksi setengah siklus ini, yang merupakan siklus ALD yang memfasilitasi pengendapan film lapisan tunggal, dapat diulang lapis demi lapis untuk menumbuhkan film. Reaksi kimia permukaan ini terjadi di bawah kondisi reaksi yang membatasi diri, yang merupakan jendela proses ALD. Penggunaan dua reaksi setengah siklus untuk menyimpan film menghindari kehadiran simultan dari dua prekursor kimia di ruang reaksi, dan mode pengendapan seperti CVD terbentuk, memungkinkan teknologi ALD untuk secara tepat mengontrol ketebalan dan keseragaman film [4, 5,6,7].
Representasi skema ALD dengan bantuan termal dan plasma
Laju pertumbuhan film ALD dinyatakan dengan pertumbuhan per siklus (GPC) [8, 9]. Secara umum, ketebalan GPC berkisar dari 0,05 hingga 0,1 nm. Pilihan bahan kimia prekursor mempengaruhi kualitas film, tingkat pertumbuhan dan waktu yang dibutuhkan untuk proses. Prosedur deposisi ALD terdiri dari empat langkah berurutan:pulsa A, bersih A, pulsa B, dan bersih B. Pulsa A terdiri dari uap prekursor logam, dan pulsa B terdiri dari uap prekursor non-logam. Gas tidak aktif seperti nitrogen atau argon dan pompa vakum digunakan untuk membersihkan produk sampingan reaksi gas dan molekul reaktan sisa dari ruang reaksi selama pembersihan A dan pembersihan B. Urutan pengendapan mencakup setidaknya satu siklus pengendapan. Siklus deposisi diulang sampai urutan deposisi telah menghasilkan film dengan ketebalan yang diinginkan.
Reaksi self-limiting membentuk inti dari ALD [10,11,12,13]. Mengatur dan menyesuaikan parameter proses (seperti suhu proses, pemilihan prekursor kimia, dosis, dll.) untuk memungkinkan reaksi kimia permukaan mencapai kondisi yang membatasi diri adalah langkah pertama dalam pengembangan proses ALD. Dalam hal memenuhi jendela proses ALD, semua reaksi kimia terjadi di permukaan, memenuhi kondisi yang membatasi diri. Oleh karena itu, jika molekul prekursor kimia yang cukup dimasukkan dalam setiap siklus ALD, jumlah total prekursor kimia yang berpartisipasi dalam reaksi kimia permukaan tergantung pada jumlah gugus reaktif permukaan. Jika suhu proses dikendalikan pada tingkat di mana molekul prekursor kimia tidak berada dalam kisaran adsorpsi fisik dan perengkahan termal otomatis, lapisan atom dapat diendapkan secara seragam pada semua permukaan substrat di setiap siklus ALD. Akibatnya, teknologi ALD memiliki keseragaman dan kemampuan konformal yang sangat baik dan dapat mengurangi ketebalan film. Keakuratan kontrol merupakan faktor kunci pada tingkat atom [14,15,16,17].
Aplikasi ALD yang paling penting adalah dalam bidang semikonduktor [18,19,20,21,22], seperti preparasi dielektrik k tinggi, film tipis logam, film penghalang tembaga, dan lapisan penutup etsa untuk bidang sirip. transistor efek (FinFETs) [23,24,25,26,27,28], lapisan pasif oksida, dan lapisan anti-refleksi untuk LED dan VCSEL. Cakupan yang sangat seragam dan karakteristik film densitas tinggi dari ALD membuatnya cocok untuk perangkat yang sensitif terhadap air dan oksigen. Oleh karena itu, ALD telah menjadi alat pelapis terbaik untuk lapisan pelindung perangkat yang membutuhkan keandalan tinggi. Laju transmisi uap air (WVTR) merupakan indikator penting untuk mengukur ketahanan film terhadap air dan oksigen, terutama untuk tampilan dioda pemancar cahaya organik fleksibel (OLED), yang sensitif terhadap uap air [29,30,31, 32,33,34,35,36,37]. Nilainya harus mencapai 10
−4
g/m
2
-hari atau kurang. Untuk VCSEL berdaya tinggi lainnya, perangkat daya, dan LED kelas atas, WVTR-nya harus setidaknya kurang dari 10
−3
g/m
2
-hari untuk memastikan keandalan di lingkungan yang keras. Oleh karena itu, perangkat ini mulai menggunakan pasif ALD untuk memastikan stabilitasnya [38,39,40,41,42,43,44]. Selain aplikasi yang disebutkan di atas, fotovoltaik [45,46,47], baterai lithium [48,49,50], sel bahan bakar, dan perangkat sistem mikro-elektromekanis (MEMS) juga menggunakan banyak proses ALD [6, 51, 52,53]. Dalam artikel ini, kami fokus pada efek teknologi ALD pada kinerja perangkat dan meninjau kasus VCSEL. Selain itu, artikel ini memberikan gambaran umum tentang proses ALD untuk meningkatkan kinerja VCSEL.
Teknologi ALD untuk Micro-LED
LED biru-hijau terutama terdiri dari bahan berbasis InGaN. Karena struktur kristalnya, itu adalah bahan piezoelektrik. Ini memiliki medan listrik built-in yang kuat, yang mempengaruhi panjang gelombang emisi dan efisiensi rekombinasi pembawa dari area aktif. Fenomena ini disebut efek Stark terbatas kuantum (QCSE), yang merupakan salah satu alasan utama efisiensi bercahaya LED [54]. Oleh karena itu, tim peneliti menggunakan karakteristik QCSE melalui struktur nano berbentuk cincin pada wafer epitaxial hijau. Pembuatan struktur melepaskan tekanan di area aktif LED untuk mencapai modulasi panjang gelombang. Ini memodulasi panjang gelombang emisi dari hijau ke biru karena struktur nano mengorbankan bagian dari daerah bercahaya dan mengurangi intensitas cahaya [55]. Gambar 2 menunjukkan skema mikro-LED (μ-LED). Saat ukuran -LED berkurang, cacat dinding samping memiliki dampak yang lebih besar pada wafer, yang menyebabkan penurunan efisiensi cahaya chip [56,57,58]. Pasifasi dalam LED berukuran mikro biasanya dicapai dengan menggunakan deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD), yang menggunakan prekursor berbasis hidrogen untuk mencapai laju deposisi yang cepat [30, 32]. ALD lebih disukai untuk LED berukuran mikro. Dibandingkan dengan lapisan pasivasi yang diendapkan oleh PECVD, ALD mampu menyimpan film dielektrik yang sangat kompak dengan ketebalan skala nanometer. ALD memberikan pendekatan yang menjanjikan untuk pasif -LED dengan menawarkan film dielektrik yang kompak dan padat bersama dengan kontrol yang lebih baik atas ketebalan film. Oleh karena itu, banyak tim peneliti telah memperkenalkan teknologi perlindungan pasif film tipis ALD untuk menggantikan metode PECVD tradisional. F Koehler dkk. telah melaporkan bahwa PECVD standar dapat menyimpan film pada suhu sedang (400 °C) tetapi mengalami efek pemuatan yang kuat. ALD memiliki keunggulan konformitas yang baik pada suhu rendah. Selain itu, ALD menunjukkan wafer-ke-wafer yang superior dan keseragaman dalam-wafer [59,60,61]. Selain itu, Milojevic [38] melaporkan bahwa peningkatan arus bocor pada -LED yang lebih kecil mungkin disebabkan oleh kualitas dielektrik PECVD. Peningkatan ini mengungkapkan bahwa pasivasi dinding samping PECVD tidak cukup untuk mengurangi arus bocor untuk -LED dengan rasio keliling/luas yang besar; Nakamura dkk. telah menyelidiki efek optoelektronik dari pasif dinding samping pada icro-LED menggunakan ALD dan PECVD, dan hasil ini juga mengungkapkan bahwa ALD lebih bermanfaat untuk peningkatan efek optik dan listrik [62]. Lapisan perlindungan pasif ALD memiliki kepadatan tinggi, cakupan langkah tinggi, perbaikan cacat yang efektif, dan fitur lain yang mencegah pembawa terjebak oleh cacat pada permukaan perangkat. Dengan demikian, intensitas cahaya perangkat meningkat pesat, menghasilkan peningkatan efisiensi [44, 55, 60, 63,64,65,66,67].
Skema -LED [67]
Mempertimbangkan pengaruh lapisan proteksi pasivasi yang ditumbuhkan oleh PECVD dan ALD pada arus bocor, Gambar 3 menunjukkan diagram arus bocor dari -LED merah setelah proteksi pasivasi PECVD dan ALD [66,67,68]. Arus bocor rata-rata perangkat yang menggunakan ALD diamati jauh lebih rendah daripada yang diperoleh dengan menggunakan PECVD. Selanjutnya, arus bocor meningkat secara seragam karena ukuran komponen berkurang karena peningkatan rasio permukaan-ke-volume perangkat kecil dan jalur kebocoran tambahan di bawah bias balik.
Kurva J-V bias terbalik dari a Sampel PECVD dan b Sampel ALD [68]
Untuk mengilustrasikan pengaruh lapisan proteksi pasivasi pada daya optik lampu merah -LED, Gambar 4 membandingkan kekuatan optis lapisan proteksi pasivasi PECVD dan ALD untuk berbagai ukuran dan kepadatan arus. Dapat dilihat bahwa ketika ukuran komponen di atas 15 m, daya optik lapisan pasivasi PECVD dan ALD dapat mencapai tingkat yang memuaskan, tetapi ketika ukuran komponen kurang dari 5 m, ALD mengungguli perlindungan pasivasi yang diberikan oleh PECVD. Dari perbandingan antara perangkat dengan lapisan yang berbeda dan tingkat arus yang berbeda, penurunan dramatis dalam hal daya optik terintegrasi dapat diamati. Di bawah kerapatan arus yang sama dan ukuran yang berbeda, perbedaan daya optik yang disediakan oleh ALD adalah 570 kali, sedangkan komponen yang menggunakan PECVD setinggi 850 kali. Ini menunjukkan bahwa ALD masih memberikan pasivasi yang sangat baik untuk komponen kecil. Lapisan pelindung memungkinkan penekanan terus menerus dari cacat permukaan dan meningkatkan efisiensi rekombinasi radiasi. Selanjutnya, perlindungan pasif yang diberikan oleh ALD meningkatkan keandalan perangkat. Karena proses etsa kering dapat menyebabkan kerusakan dan cacat pada dinding samping, dampak dari cacat dinding samping dapat meningkat secara proporsional bila ukuran perangkat diperkecil, yang menyebabkan penurunan kinerja dini. Dengan demikian, kualitas lapisan pasivasi sangat penting. Hasil di atas menunjukkan bahwa ketika ukuran perangkat menyusut, perangkat yang dilindungi oleh pasif ALD bekerja lebih baik dalam kondisi yang berbeda. Dalam proses manufaktur maju di masa depan, teknologi ALD diharapkan terus memainkan peran penting.
Intensitas spektral terintegrasi antara sampel ALD dan PECVD di bawah kepadatan arus tinggi/rendah [68]
Mempertimbangkan pengaruh EQE, penelitian ini menentukan keberadaan lapisan pasivasi pada dinding samping dan membandingkan efek lapisan pasivasi yang dihasilkan melalui ALD dan PE-CVD pada EQE sebagai berikut:LED-1:-LED tidak dikenai ke pasivasi dinding samping; LED-2:-LED mengalami pasivasi dinding samping ALD dan etsa plasma yang digabungkan secara induktif; LED-3:-LED mengalami pasivasi dinding samping PE-CVD dan etsa HF; LED-4:-LED mengalami pasivasi dinding samping ALD dan etsa HF. Gambar 5a, b menampilkan EQE yang diperoleh untuk 100 × 100 m
2
dan 20 × 20 m
2
perangkat, masing-masing, untuk menggambarkan efek dari teknik pasif dinding samping yang berbeda. Semua 100 × 100 m yang dipasifkan
2
-LED memiliki puncak EQE yang serupa (LED-1, 40%; LED-2, 36%; LED-3, 38%; dan LED-4, 41%). Karena rasio perimeter-area yang kecil, kerusakan dinding samping memiliki sedikit pengaruh pada kinerja perangkat. Oleh karena itu, pasif dinding samping tidak mempengaruhi -LED besar secara signifikan. Selain itu, EQE tidak terlalu terpengaruh oleh kerusakan dinding samping dalam hal perangkat yang lebih besar dan tidak meningkat dengan pasifasi dinding samping. Untuk 100 × 100 m
2
sampel, terlepas dari metode pasif dinding samping yang digunakan, penurunan EQE bervariasi meskipun EQE maksimum tetap konstan. Untuk -LED dengan luas 20 × 20 m
2
, EQE yang dicapai dengan dan tanpa pasivasi ALD masing-masing adalah 33% dan 24%. Hasil ini dikaitkan dengan efek gabungan dari ekstraksi cahaya yang ditingkatkan, reorganisasi permukaan, dan pengurangan arus bocor yang disebabkan oleh kerusakan dinding samping.
Ketergantungan EQE pada arus untuk a 100 × 100 μm
2
dan b 20 × 20 μm
2
perangkat dengan metode pasif dinding samping yang berbeda [63]
Akibatnya, teknologi -LED memiliki potensi besar untuk mengubah bisnis pencahayaan solid-state, dan tentunya akan menjadi teknologi tampilan yang mengubah permainan. Pasifasi dinding samping sangat penting untuk mempertahankan ketergantungan yang diperlukan untuk kinerja tinggi dengan pengurangan lebih lanjut dalam ukuran perangkat. Secara umum, ALD adalah teknik kunci untuk melakukan pasifasi dinding samping untuk mencegah penurunan efisiensi -LED, karena ukuran karakteristiknya berkurang ke skala mikro karena arus bocor [69].
Teknologi ALD untuk VCSEL
Ada banyak keuntungan dalam VCSEL oksida, seperti stabilitas modal yang lebih baik dan jitter yang rendah untuk aplikasi transmisi data, serta biaya rendah dalam paket transceiver non-hermetik. Namun, karena kepadatan daya laser yang tinggi, VCSEL oksida juga memerlukan metode yang lebih protektif untuk mencegah mutasi karakteristik laser.
VCSEL terdiri dari tiga bagian:reflektor Bragg distribusi atas (p-DBR), rongga, dan n-DBR bawah. DBR terdiri dari 20-40 pasang film tipis. Rongga umumnya beberapa mikron tebal. Dibandingkan dengan panjang penguatan sisi emitor, panjang penguatan lapisan aktif VCSEL sangat kecil (beberapa puluh nanometer). Untuk mendapatkan pancaran sinar radiasi terstimulasi, DBR harus memiliki reflektifitas yang sangat tinggi agar pancaran sinar radiasi terstimulasi dapat terjadi. Untuk meningkatkan karakteristik VCSEL, ALD telah diterapkan untuk menyiapkan lapisan pasivasi, DBR, beberapa sumur kuantum (MQW), dan bahkan elektroda transparan VCSEL.
Teknologi ALD untuk Lapisan Pasifasi VCSEL
ALD telah diterapkan untuk peningkatan keandalan titik-titik kuantum dan LCD [31, 32, 70, 71], untuk lapisan pasivasi VCSEL, lapisan tipis ALD yang seragam dan padat dapat meningkatkan keandalannya. Penyisipan film padat sebagai lapisan pasivasi oksida untuk VCSEL sangat penting untuk melindungi rongga VCSEL. Sebelumnya, film pelindung biasanya dilapisi menggunakan PECVD. Namun, film tebal biasanya diperlukan untuk menjaga kekompakan film, yang menyebabkan tegangan berlebih dan mempengaruhi keandalan VCSEL. Teknologi ALD dapat menyetor Al2 O3 film tipis dengan karakteristik yang mirip dengan lapisan pasivasi VCSEL, dan lapisan tipis yang seragam dan padat dapat sepenuhnya melindungi chip pelindung. Dengan demikian, ALD telah digunakan untuk menggantikan PECVD sebagai proses pelapisan terbaik untuk lapisan pasivasi VCSEL.
Keandalan VCSEL oksida sangat tinggi dalam pengujian 85/85 (85 °C dan 85% kelembaban relatif, RH) karena lapisan oksidasi AlGaAs dengan konsentrasi Al yang lebih tinggi dibandingkan dengan lapisan DBR. Aperture Al oksida yang lebih tinggi menyebabkan delaminasi korosi pada antarmuka oksida-semikonduktor. Xie dkk. menunjukkan bahwa pertumbuhan dislokasi, retak kasar, dan degradasi permukaan bukaan terjadi dalam persentase yang signifikan dari VCSEL oksida yang terpapar kelembaban [72]. Herrick dkk. juga mengamati kegagalan serupa yang timbul dari paparan kelembaban di ruang 85/85 [73]. Dalam dua puluh tahun terakhir, banyak peneliti dan perusahaan telah berinvestasi dalam penelitian tentang pencegahan penuaan pada elemen VCSEL yang disebabkan oleh masuknya uap air dan mengusulkan berbagai film pasif pelindung dan perubahan desain tata letak. Misalnya, pada tahun 2004, Agilent Technologies mengusulkan lubang etsa dan pengisi ke dalam polimer untuk mencegah paparan kelembaban [74]. Pada tahun 2006, Debrabander mengusulkan metode deteksi lubang pin film pasivasi mesa [75], sedangkan pada tahun 2014, TrueLight mengusulkan film pasivasi SiON [76]. Di sini, kami hanya mengutip beberapa penelitian sebagai contoh. Studi ini terutama menggunakan Al2 O3 film yang ditumbuhkan oleh ALD dan membentuk tumpukan kompleks untuk film pasivasi tahan lembab dengan SiN yang ditumbuhkan PECVDx . Kami merancang percobaan dan melakukan studi perbandingan untuk menunjukkan peningkatan kegagalan uji 85/85 dengan lapisan ALD, dan lapisan dielektrik kelembaban tahan dari struktur VCSEL yang diendapkan oleh PECVD dan ALD dilambangkan sebagai perangkat A dan perangkat B, masing-masing .
Gambar 6 menunjukkan struktur VCSEL, termasuk DBR tipe-n, lapisan MQW, lapisan apertur oksida Al dengan kandungan Al yang tinggi (~ 0.98), dan lapisan DBR tipe-p. Uraian berikut berkaitan dengan label. Lapisan pasif tahan kelembaban hanya disimpan oleh ALD di dinding samping perangkat B setelah oksidasi.
Skema VCSEL [42]
Tabel 1 menunjukkan perbandingan VCSELs dalam pekerjaan ini dan kelompok lain. Dalam karya ini, LIV, S 21, diagram mata dan masa operasi suhu tinggi basah (WHTOL) dari VCSEL dengan dan tanpa ALD telah dipelajari, dan hasil ini menunjukkan bahwa ALD tidak mempengaruhi sifat fotolistrik dan komunikasi dari high- VCSEL kecepatan tinggi, tetapi tingkatkan keandalan VCSEL berkecepatan tinggi.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7, transmisi bebas kesalahan 53 Gb/dtk hingga 100 m dalam serat mode tunggal (SMF) GI di bawah penekanan awal modulasi NRZ-OOK diperoleh dengan diameter bukaan oksida 6 μm dalam beberapa -mode (FM) VCSEL. Dalam karya ini, teknik ALD telah digunakan untuk meningkatkan keandalan FM VCSEL.
Diagram mata transmisi bebas kesalahan 53 Gb/dtk hingga 100 m dengan diameter aperture oksida 6 m di VCSEL setelah ALD
Performa DC, AC, dan transmisi perangkat B ditunjukkan. Gambar 8a, b menunjukkan kurva arus-cahaya (L-I) dan respons modulasi sinyal kecil perangkat B pada 25 °C. Gambar 9 menggambarkan diagram mata 4-level modulasi amplitudo pulsa (PAM4) pada 56 Gb/dtk di bawah bias I = 8 mA pada 25 °C. Gambar 10a, b menunjukkan diagram mata on-off keying (OOK) pada 28 Gb/dtk dengan bias I = 8 mA perangkat B pada 25 °C dan 75 °C.
a Karakteristik arus cahaya dari VCSEL 850 nm pada 25 °C dan 85 °C, b respons modulasi sinyal kecil untuk perangkat B pada 25 °C
Diagram mata sinyal PAM4 yang ditransmisikan oleh VCSEL 850 nm pada 56 Gb/dtk dengan bias I = 8 mA pada 56 Gb/dtk pada 25 °C
Diagram mata sinyal OOK yang ditransmisikan oleh VCSEL 850 nm pada 28 Gb/dtk dengan bias I = 8 mA pada a 25 °C dan b 75 °C
Untuk mempelajari peningkatan ketahanan kelembaban melalui pasivasi Al2 O3 Lapisan ALD, dua perangkat yang dilapisi dengan lapisan dielektrik didefinisikan. Di perangkat A, lapisan dielektrik hanya melapisi SiNx , sedangkan di perangkat B, dilapisi Al2 O3 ALD dan SiNx bersama. SiNx , polimida, SiNx , dan metalisasi diselesaikan secara berurutan. P-metal pertama membentuk kontak ohmik dengan material atas GaAs. P-metal ke-2 adalah logam bond pad. Film pasivasi bertumpuk yang kompleks menutupi permukaan mesa di perangkat B secara efisien. Paket perangkat penuaan disiapkan di open-can TO.
Kondisi lingkungan untuk penuaan adalah 85 °C dan 85% RH, dengan bias 6 mA untuk masa pakai suhu tinggi basah (WHTOL). Jumlah input untuk perangkat A dan B masing-masing adalah 18 dan 18. Hasilnya disajikan pada Gambar. 11. Di perangkat A, ada lima chip kegagalan, dan kegagalan ditemukan secara acak dalam waktu 500 jam. Berbeda dengan perangkat B, tidak ada kegagalan yang terjadi hingga 960 jam. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 11a, b. Hasil ini menunjukkan bahwa Al2 . yang ditumbuhkan ALD O3 Film ALD memiliki enkapsulasi yang lebih baik pada dinding samping mesa daripada hanya SiN yang ditumbuhkan dengan PECVDx film untuk mencegah masuknya kelembapan.
Performa WHTOL (85 °C/85%) dari chip VCSEL, a perangkat A, hanya SiNx sebagai lapisan pasif, b perangkat B, Al2 O3 /SiNx sebagai lapisan pasif
Teknologi ALD untuk DBR VCSEL
DBR deposit VCSEL oleh ALD memiliki keunggulan adhesi yang baik dengan substrat safir dan kondisi yang baik pada antarmuka lapisan dielektrik DBR yang berbeda [80]. Menurut struktur VCSEL, rongga dalam arah vertikal laser dibentuk oleh dua kelompok cermin yang menjepit lapisan aktif, dan cahaya dipantulkan antara p-DBR dan n-DBR beberapa kali sebelum menyebar ke udara . Struktur DBR terdiri dari dua jenis bahan semikonduktor dengan indeks bias yang berbeda, dan ketebalan periodik DBR harus dikontrol secara akurat pada /4 (λ menunjukkan panjang gelombang pusat). Metode desain dan pertumbuhan membentuk dasar untuk pembuatan DBR dengan reflektifitas tinggi. Untuk DBR berkualitas tinggi, efek interferensi fase membantu memperkuat cahaya di dalam rongga, sedangkan reflektifitas DBR yang tinggi (> 99%) dapat sangat meningkatkan perolehan ambang batas dan efisiensi kuantum VCSEL. Untuk mencapai reflektifitas tinggi, pita penghenti lebar, dan respons fase lembut, periode DBR harus berada antara 20 dan 40, dan bahan yang digunakan dalam fabrikasinya harus memiliki perbedaan indeks bias yang besar. Dalam hal ini, banyak kelompok telah melaporkan bahwa AIAs/GaAs, Al2 O3 , HfO2 , SiO2 , dll., cocok untuk pertumbuhan DBR.
Ada berbagai metode pertumbuhan untuk DBR, termasuk epitaksi berkas molekul (MBE) dan deposisi uap logam-organik (MOCVD). Namun, ALD juga merupakan metode pertumbuhan yang tepat untuk DBR. Untuk DBR yang disiapkan oleh ALD dengan ketebalan rendah, reflektifitas tinggi, dan kekasaran rendah dapat meningkatkan sifat VCSEL secara efektif, banyak peneliti telah menyelidiki teknik untuk meningkatkan DBR menggunakan teknik ALD. Sebagai contoh, pada tahun 1997, Huffaker [81] mengusulkan bahwa regangan karena DBR yang lebih rendah dapat dikurangi dengan menggunakan Alx O1-x lapisan yang ketebalannya kurang dari seperempat gelombang. Pada tahun 2013, Guo et al. [82] melaporkan bahwa DBR yang dibuat dengan proses ALD telah terbukti memiliki kualitas yang lebih baik daripada yang dibuat oleh EBE, dan waktu proses ALD hampir sama dengan proses EBE atau bahkan kurang. Selain itu, untuk menumbuhkan DBR yang terdiri dari setidaknya dua atau lebih jenis bahan, umumnya perlu sering menaikkan dan menurunkan suhu dalam proses EBE, sedangkan suhu dapat dipertahankan sama dalam proses ALD untuk menyimpan bahan yang berbeda. Pada tahun 2017, Liu [83] melaporkan bahwa metode ALD dapat diterapkan untuk menyiapkan lapisan berkualitas tinggi dengan antarmuka yang tajam dan keseragaman yang baik. Dengan demikian, ALD cocok untuk menyimpan DBR berkualitas tinggi.
Misalnya, Sakai et al. mengusulkan fabrikasi on-wafer dari dioda laser UV-C cermin tergores (LDs) dengan DBR yang disimpan ALD, yang berkontribusi untuk mengurangi kerapatan arus ambang batas penguat. Dalam penelitian ini, empat periode HfO2 dan Al2 O3 disimpan menggunakan ALD untuk DBR. Al2 O3 dipilih sebagai bahan indeks bias yang lebih rendah karena laju pengendapannya jauh lebih tinggi daripada SiO2 . Gambar 12 menunjukkan gambar TEM DBR yang disimpan oleh ALD, yang menunjukkan ketebalan dan kualitas DBR yang sangat baik.
Gambar TEM dari DBR yang disimpan dengan ALD [84]
Teknik MOCVD telah banyak digunakan dalam pengendapan DBR untuk banyak keuntungan seperti kontrol pertumbuhan film yang tepat dan pengendapan film berkualitas tinggi. Namun, dalam proses produksi yang sebenarnya, kondisi antarmuka akan terpengaruh pada antarmuka lapisan dielektrik DBR yang berbeda; jika tidak, metode desain DBR akan memerlukan optimasi kompleks seperti pengendapan lapisan penyangga tambahan lain pada antarmuka lapisan dielektrik yang berbeda. Gambar 13a menunjukkan perhitungan metode matriks transfer (TMM) untuk reflektifitas DBR dengan MOCVD tanpa penyisipan lapisan penyangga. Spektrum reflektifitas HfO2 /Al2 O3 DBR yang diendapkan dengan ALD lebih konsisten dengan spektrum TMM yang dihitung pada Gambar. 13b [85]. Dalam hal ini, teknik ALD dapat menyimpan DBR dengan antarmuka yang lebih baik antara lapisan dielektrik yang berbeda dibandingkan dengan MOCVD (Gbr. 14).
Spektrum reflektansi yang diukur dan dihitung dari DBR yang dirancang diendapkan dengan a MOCVD, b ALD [84, 85]
a Superposisi spektrum Ga3d-In4d yang dinormalisasi untuk sampel ALD dan PEALD tanpa, dengan HCl atau dengan NH4 Perawatan permukaan OH, b Rasio Ga3d-In4d untuk sampel yang sama dibandingkan dengan Al2 O3 permukaan bebas [86]
Teknologi ALD untuk Berbagai Sumur Kuantum 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 In0.1 Ga0.9 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.
a 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.
Conclusions
This article reviews the application of ALD technology to the optoelectronic devices, µ-LEDs and VCSELs. Since sidewall damage is prominently observed in μ-LEDs when their sizes are reduced to the microscale level, this issue must be addressed to achieve high device performance. ALD sidewall passivation is a crucial technique because the sidewall damage can be reduced after passivating a surface with an ALD-grown dielectric. ALD passivation has also been found to help in protecting the quantum dot (QD) conversion layer in full-color displays. Different approaches involving the deposition of passivation layers have been established for reducing sidewall damage. In addition, an 85 °C/85% RH test with bias, which is a very difficult challenge for oxide-confined VCSEL devices, was conducted. In this study, we demonstrate that complex stacked dielectric layers as passivation films resist moisture ingress. The stacked passivation layers consist of Al2 O3 growth by ALD film and SiNx growth by PECVD film. A very good encapsulation that prevented damage from moisture and excellent reliability was observed. In addition, the effects of ALD on the accurate control of DBR growth are specified. This technique has also been found to enhance the optical properties of MQWs, such as the deposition of an anti-reflection layer for improving the light extraction efficiency of a VCSEL and the accurate control of the growth of MQWs for improving its crystalline quality. In addition, because the output power of the VCSEL with an ITO transparent conductive film exceeds that of the traditional VCSEL, this study addresses the potential applications of ALD for preparing the TCO films of VCSELs.
Availability of data and materials
The data used and analyzed during the current study are available from the corresponding authors upon reasonable request.
