推进琥珀色microLED的发展

针对长波长GaN基LED的效率，带盖量子阱的钝化发射器设立了新基准

在开发超小型高效红色LED方面，加州大学圣巴巴拉分校团队称已取得重大进展。

研究人员推出InGaN基microLED，其尺寸为10 µm x 10 mm，发射波长峰值为601 nm，外部量子效率峰值为5.5%，最大电光转换效率为3.2%。同样令人鼓舞的是，这类器件的效率降低幅度与尺寸为100 µm x 100 µm的同类器件非常相似。

对开发高效的红光、绿光、蓝光microLED而言，这项研究是重要的一步。增强现实显示器和虚拟现实显示器需要这三种光源，每种光源的尺寸需小于10 µm，才可生成高质量的彩色图像。

AlInGaP是红色microLED的一种备选材料。然而，将AlInGaP用于传统红色LED时，由于AlInGaP的表面复合速度较快，导致该器件的效率随尺寸缩小而直线下降。红色AlInGaP LED尺寸约为0.1 mm2时，外部量子效率约为20%，但当尺寸为10 µm时，外部量子效率仅为3%。

许多创新均旨在提高GaN基红光LED的性能，与AlInGaP类似器件相比，进行适当侧壁钝化和处理时，GaN基红光LED对尺寸缩放的敏感度要低得多。然而，这种氮化物基发射器受到两个重大问题的阻碍：内部电场强，削弱辐射复合；InGaN量子阱和GaN层之间存在显著的晶格失配，产生高密度光猝灭缺陷。

提高红色InGaN LED性能的新方法包括加州大学圣巴巴拉分校团队在纳米多孔GaN衬底上生长外延结构。2021年，该团队报告称，采用该技术制造出6 µm microLED，其外部量子效率为0.2%。同年，阿卜杜拉国王科技大学团队宣布，使用图案化蓝宝石制造出47 µm红色microLED，其外部量子效率为0.56%，格勒诺布尔-阿尔卑斯大学和Soitec的研究人员建立了合作伙伴关系，称对于松弛伪衬底上的47 µm琥珀色microLED来说，外部量子效率为0.14%。国立阳明交通大学引领了一项合作研究，所取得的成果更引人瞩目：去年，该团队报告称，琥珀色LED的外部量子效率峰值为2.91%，但即便如此，与加州大学圣巴巴拉分校的最新成果相比，也显得黯然失色。

加州大学圣巴巴拉分校团队将图案化蓝宝石衬底装入MOCVD反应室中，并沉积具有6周期有源区域的外延叠层，其中包括InGaN阱、AlGaN覆盖层、GaN势垒，进而生产出最新器件（详细信息请参见上图）。要制造器件，首先需在外延片上沉积110 nm厚的ITO层，然后通过步进光刻和反应离子蚀刻形成台面。侧壁经氢氧化钾处理，并通过离子束沉积添加反射电介质堆叠后，形成SiO2的原子层沉积，厚度达30 nm，附加金属接触蒸发前，SiO2层可确保侧壁的钝化。

对此类microLED进行测量，显示1 A cm-2时开启电压为2.6 V，-3 V时反向电流仅为1纳安。据该团队称，研究成果表明外延材料、蚀刻工艺、钝化均质量良好。

1 A cm-2时电效率峰值为0.83，与该团队之前设计的红色InGaN microLED相比，数值较为领先。这一改进归功于对有源区域和侧壁化学处理的优化。随着驱动电流从0.5 A cm-2增至80 A cm-2，发射峰值从614 nm缩至593 nm。这种变化源于电场屏蔽和局域态能带充填，据称与大多数红色microLED和琥珀色microLED相比，变化较小。

研究人员认为，这项研究为实现尺寸小（1 µm及以下）且效率高的红色microLED铺平了道路。

图片说明：加州大学圣巴巴拉分校团队所生产InGaN microLED的外延结构。

参考文献

P. Li et al. Appl. Phys. Express 16 064002 (2023)

 

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