Micro-LED顯示器由於其高效率、低功耗、高壽命、更快的響應時間等優異的特性，許多團隊已經投入擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)、可穿戴設備和超大顯示器的開發上。然而，小尺寸Micro-LED的生產面臨一些挑戰，因為當Micro-LED晶片尺寸接近微米級時，由於表面複合和側壁缺陷，外部量子效率(EQE)會顯著下降。Micro-LED晶粒蝕刻過程中側壁損壞，導致Shockley-Read-Hall (SRH)非輻射複合的產生。蝕刻表面與晶體缺陷、懸空鍵結合，在帶隙內產生陷阱狀態(trap state)，被視為非輻射複合中心。目前，使用介電材料鈍化保護技術已被證明是降低側壁缺陷影響的有效解決方案。等電漿增強化學氣相沉積(PECVD)技術由於其沉積速度快而被廣泛用於側壁鈍化，但此技術產生的離子體會引起側壁缺陷，進而產生漏電流。然而，原子層沉積(ALD)技術可透過其奈米級介電沉積方式提供更好的側壁鈍化，不僅可以改善Micro-LED在乾蝕刻製程時對側壁的缺陷，進而提高Micro-LED量子效率，還能保護作為全彩顯示器中的色彩轉換層的量子點(QD)材料。此外，應用於ALD的氧化鋁(Al2O3)薄膜因具有優異的均勻性及階梯覆蓋性，使ALD對Al2O3投入更多的研究。
國立陽明交通大學光電系郭浩中教授、台大光電系林建中教授、工研院電光系統所、鴻海研究院與芬蘭Picosun Oy合作，比較兩種不同類型的鈍化層：(a) ALD-Al2O3 +PECVD-SiO2鈍化層 (b) PECVD-SiO2鈍化層應用於不同尺寸藍光Micro-LED上(5х5 / 10х10 / 20х20 / 50х50 / 100х100 µm2)，並比較兩者對III-V 材料中的側壁/空氣接面處陽離子原子的氧化的影響。圖一(a)為藍光Micro-LED的元件示意圖，ITO被用於重分佈製程（RDL），它被認為是擴展的導電層，避免藍光Micro-LED發光面積受到電極遮蔽而縮小。圖一(b)為藍光Micro-LED的穿透式電子顯微鏡(TEM)影像，顯示了不同側壁位置下的ALD-Al2O3鈍化保護層，如圖一(c)-(f)所示。影像中顯示檯面表面的Al2O3保護層的厚度約為7.3 nm，當Al2O3保護層延伸到圖一(e)(f)中的溝槽底部時，Al2O3層的厚度變為6.8 nm。根據階梯覆蓋率的定義（檯面和溝槽底部的厚度比），我們的ALD沉積側壁和底面的階梯覆蓋率都在93.1%左右，而在靠近檯面頂部的表面覆蓋率可以達到100 %。
圖一、(a) 藍光Micro-LED的元件示意圖；(b) 藍光Micro-LED的穿透式電子顯微鏡(TEM)影像；(c)-(e) 不同側壁位置下的ALD- Al2O3鈍化保護層。
此外由於Micro-LED具有高周長與面積比，並且GaN材料具有高表面複合速度，因此使用表面處理和ALD側壁鈍化技術來降低漏電流有著顯著的效果。圖二表現藍光Micro-LED有無進行ALD鈍化沉積技術的漏電流現象比較，我們可以觀察出5х5 µm2藍光Micro-LED元件ALD與No-ALD情況下之漏電流分別為1.1х 10-6 A/cm2與6.1 х 10-7 A/cm2，約達到40%的漏電流改善。在未來Micro-LED尺寸越作越小的情況下，抑制漏電流現象會越加顯著，ALD鈍化沉積技術也將成為Micro-LED技術中難以取代的一環。
圖二、(a) No-ALD；(b) ALD之藍光Micro-LED之漏電流比較。(偏壓為-6V)
圖三(a)(b)表示No-ALD與ALD情況下的EQE量測結果。為了抑制側壁缺陷的影響，我們沉積7-nm ALD- Al2O3和300-nm PECVD-SiO2以及提高Micro-LED晶粒的EQE值：觀察5 х 5 µm2、10 х 10 µm2 的Micro-LED元件在電流密度從10 A/cm2 到100 A/cm2 時表現出比其他尺寸Micro-LED元件產生更低的效率下降(Efficiency droop)，這歸因於電流分佈均勻。對於No-ALD的藍光Micro-LED元件，5 × 5 µm2、10 × 10 µm2、20 × 20 µm2、50 × 50 µm2 和 100 × 100 µm2的Efficiency droop分別為28.3%、23.2%、63.3%、34.5% 和28.3。 ALD 的Micro-LED元件，從圖三(a)(b)中可以看出Efficiency droop約為18.4%、25.0%、28.8%、29.8% 和24.3%。另一方面，圖三(c)顯示No-ALD與ALD在不同尺寸Micro-LED元件的峰值EQE比較。可以觀察出ΔEQE值隨著晶片尺寸的增加而下降，從5 х 5 µm2的73.4%到100 х 100 µm2的2.7%，這表明ALD鈍化技術對5 х 5 µm2和10х 10 µm2的性能影響更大。此外對於No-ALD與ALD藍光Micro-LED元件而言，產生EQE峰值時的電流密度也至關重要，Micro-LED元件產生EQE峰值的電流密度越小，表示越節能。有進行ALD的5 х 5 µm2藍光Micro-LED元件可以展示9 A/cm2左右的峰值電流密度，而No-ALD的藍光Micro-LED元件最佳器件高於10 A/cm2，相關研究成果被Optics Express所接受。〈Optics Express, vol.30, no.11, pp. 18552-18561, 2022.〉
圖三、(a) No-ALD；(b) ALD之不同尺寸藍光Micro-LED之EQE量測結果；(c)不同尺寸藍光Micro-LED在經過ALD鈍化保護技術後的EQE峰值變化(ΔEQE)。
