本文的研究由Yongzhou Zhao等主导，作者主要来自以下机构：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，应用光学国家重点实验室，中国科学院大学，以及发光与应用国家重点实验室等。研究发表于Optics Express期刊（Vol. 29, No. 13, 21 June 2021）。
微型发光二极管（Micro-LED）随着近年来显示技术的发展，因其具备高分辨率、低功耗和高亮度等突出的优势，吸引了大量研究关注，特别是在微显示技术、可见光通信和光遗传学领域。针对全彩显示需求，蓝光和绿光Micro-LED的技术已趋于成熟，但红光Micro-LED作为全彩显示不可或缺的组成部分，受限于传统GaAs衬底材料的光吸收和散热性能，仍然存在亟需解决的技术挑战。AlGaInP材料因其便于制造高效率红光LED而广泛使用，但其在GaAs衬底上的应用表现出光提取效率和散热性能受限等问题。基于此，研究团队尝试通过新颖的工艺将AlGaInP材料转移到硅衬底上，改变传统技术限制，从而提升图像显示及热学特性，推进2000 ppi红光Micro-LED阵列的开发。
本研究旨在探索通过In-Ag热压键合技术及外延层剥离工艺，将AlGaInP外延层转移到高导热性能的硅衬底上同时引入Ag反射层，以提升Micro-LED阵列的光输出与热学性能。最终目标是设计与制造高分辨率、高亮度、光谱稳定且具备广色域潜力的红光Micro-LED阵列，适应全彩显示应用的需求。
步骤1：外延生长与初始衬底处理 研究首先通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在350 µm厚的GaAs衬底上制备针对性的AlGaInP外延层结构。外延层包括170 nm n型GaInP蚀刻停止层、核间带结构、以及2.3 µm厚的n型AlGaInP层等。随后，在生长后的外延晶圆上沉积300 nm厚的SiO2为电流阻挡层（CBL），并通过反应离子束刻蚀技术（RIE）开孔，以电气连接。
步骤2：键合与转移 为了实现外延层从传统GaAs衬底至硅衬底的迁移，研究者将设计的硅晶圆正反面分别沉积特定的金属键合层，主要是包含Ag反射层和Cr/Pt金属屏障的Ni/Ti/Au层。操作中利用热压键合技术，以230°C温度和3000 mbar压力条件下进行30分钟键合。完成后，使用特定化学腐蚀剂，一步步去除GaAs衬底和GaInP层，暴露出AlGaInP层，并通过200°C氮气退火以释放键合过程中生成的应力。
步骤3：结构与电极制作 结合ICP刻蚀技术精确形成像素独立结构与隔离槽，并通过填充聚酰亚胺（PI）材料完成隔离处理。随后，通过快速热退火在n-GaAs表面沉积特定的透明电极结构，制备完成不同尺寸（如16 µm、32 µm、64 µm）及高像素密度（2000 ppi）的红光Micro-LED阵列。
结构与光学特性 - 在SEM和AFM技术支持下，研究揭示了键合层的致密无空洞组织和光滑外表面，验证了该工艺的可靠性。 - 基于Ag反射层的测试表明，其红光光谱区域的反射率超过90%，提升了光提取效率。
光谱稳定性 - 随着注入电流密度从20 a/cm²增加到420 a/cm²，光谱的峰值波长从624.69 nm到627.12 nm，仅发生了2.43 nm的红移；该性能比传统使用GaAs衬底的AlGaInP设备显著优越，特别是在散热性能上的改进。
像素尺寸与均匀性 - 电致发光测试显示，尽管较小像素尺寸的阵列可能更容易受到光刻、设备精度以及工艺极限影响，但仍能够实现高分辨率显示特性，例如2000 ppi阵列成功显示字符。
显著电光性能 - 多种尺寸Micro-LED阵列的电性和光输出功率显示，64 µm阵列在73 a/cm²密度下的亮度达到751 cd/m²，比传统相似器件提升显著，同时展示稳定的特性。
外量子效率（EQE） - 在不同像素尺寸对比中，64 µm阵列EQE最高（5.42%），随着像素尺寸减小至16 µm，EQE显著降低，说明侧壁非辐射复合的影响。此外，其制作法得到了比传统技术更高的光功率密度和稳定EM性能。
研究成功在硅衬底上制备出高性能AlGaInP红光Micro-LED阵列，并实现低漏电流、高亮度与优秀的光谱稳定性等特性。通过热压键合技术和特定流程，解决现有红光Micro-LED显示中GaAs衬底散热差、提取效率限制，同时提供了在全彩显示上的大色域潜能。
该研究为下一代高分辨率、低功耗和高亮度显示技术提供了新的技术路线，特别是在AR/VR显示器、光通讯及生物光遗传学领域具有巨大的实际应用潜力。