用于长波LED的InGaN外延技术进展

作为绿色LED的首选材料，富铟InGaN现在开始挑战用于头戴式显示器的microLED中的传统红色发光材料。LUMILEDS的ROB ARMITAGE、TSUTOMU ISHIKAWA、TED CHUNG和ZHONGMIN REN

LED照明时代即将到来。今天，利用磷光体转换的InGaN蓝色泵浦源的白色LED在一般照明中无处不在。因此，注意力已从蓝色LED技术转移到改进更长波长的InGaN外延，因为这是该光谱领域更有效发射的关键。这些努力的动机是希望提高绿色和琥珀色LED的光电转换效率（WPE），并最终改进基于颜色混合的无磷照明系统。由于可调色照明给人类健康和福祉带来的好处，这种方法在当前系统效能水平上已经获得了一些吸引力。未来，通过对绿琥珀色范围内LED的WPE进行大幅度改进，构建超越荧光粉转换蓝色光源效能的下一代系统的前景诱人。然而，要到达那里并不容易。

       当增加InGaN LED的发射波长时，内部量子效率（IQE）不会突然下降。相反，它逐渐降低，尽管这增加了最先进的蓝色和绿色发射器的外部量子效率（EQE）之间的巨大差异（见图1）。观察不同电流下的EQE图，可以清楚地看到InGaN效率的波长依赖性与广泛讨论的严重问题“下垂”交织在一起。这些现象自然是相互关联的，因为它们受基本复合物理和非辐射俄歇复合控制。

图1.尺寸为1mm×1mm、半球形圆顶封装的最先进可见波长LED的外部量子效率。

InGaN LED中起作用的另一个因素是存在于量子阱和势垒之间的界面上的晶体极化电荷，这解释了其许多不寻常的特性。在沿c轴方向外延生长形成的传统器件中，这些电荷会产生穿过量子阱的内部电场，随着这些阱中铟含量的增加，量子限制斯塔克效应（QCSE）变得更强。

        值得注意的是，InGaN LED中的强QCSE实际上既是祝福，也是一种诅咒。其优点是，通过移动电子和空穴能量，可以实现绿色甚至红色发射，QW铟浓度在晶体生长的挑战方面是可控的。但这种祝福是以相对较长的辐射复合寿命为代价的，约为100ns。因此，当电流密度低于10 A cm^-2时，绿色LED中出现退化空穴密度，在实际操作条件下，俄歇过程成为主要复合机制。在较长波长的InGaN LED中达到的较高载流子密度会损害性能，增加IQE下降的严重性，导致蓝移，并在较高驱动电流下展宽发射光谱。同时，这些缺点非常严重，阻碍了绿色和黄色LED在固态照明中的大规模部署，特别是对于需要高亮度的应用。

为了应对所有这些技术挑战，我们在Lumileds的团队一直在参与一个由美国能源部资助的项目，该项目试图在更长波长下提高InGaN LED的效率。与我们合作的是来自密歇根大学、新墨西哥大学、俄亥俄州立大学和桑迪亚国家实验室的合作者。

我们实现更高效的绿色LED的策略是设计外延，以便我们使用许多量子阱，从而降低有源区内的平均载流子密度。虽然这看起来可能只是增加QW的数量，但实际上更微妙。成功取决于在多个量子阱中均匀分布电子和空穴。这一目标因各自载流子迁移率的不平衡以及与界面极化电荷相关的载流子注入和阱间传输的能量障碍而受阻。

为了获得成功，我们利用了蓝宝石和硅等衬底上GaN外延产生的始终存在的螺位错。通过控制生长条件，我们打开或关闭位错周围的凹坑，因为这允许我们生产微观尺度的三维器件，并通过横向方向增强空穴注入。采用这种策略，我们制造了在35 A cm^-2的电流密度下驱动时EQE超过40%且主波长为525nm的LED。除了降低下垂（见图2），这些优化的绿色多QW设计降低了光谱特性对电流密度变化的灵敏度（见图3）。

这些观察结果与我们的理解一致，即非辐射复合和光谱特性的变化有一个共同的起源，即高载流子浓度，这两个弱点可以通过降低平均载流子密度的LED设计来解决。请注意，即使对于我们的绿色LED，特别针对高功率操作进行了优化，采用较低的电流密度也可确保较大的效率增益（见图2）。

图2.有源区中具有不同数量量子阱的优化绿色LED的外部量子效率与电流密度的函数关系。

从绿色到红色

对于波长超过590nm的情况，今天的AlInGaP LED具有比其InGaN同类更高的固有效率（见图1）。虽然这种情况可能一直存在，但microLED显示技术的出现引起了人们对InGaN红色外延的极大兴趣。不同颜色的各自效率水平之间的比较在一定程度上促进了这种兴趣。这表明，无论材料系统如何，红色LED消耗了显示器中的大部分功率。

有几个论点支持从红色AlInGaP LED切换到由InGaN制成的LED。将红色内容转移到InGaN将简化集成的复杂性，因为所有子像素将基于相同的材料系统。实现整体集成的尝试也将面临更少的障碍。在某些情况下，这些收益可能非常引人注目，可以抵消对效率的打击。支持切换到InGaN的另一个考虑是，尽管其固有效率较低，但在足够小的像素尺寸下，由于其较慢的表面复合速度，它可能优于AlInGaP。事实是否如此是一个重要的问题，答案不断变化，受外延和管芯钝化技术改进的影响。

我们正在继续考虑这一问题，并在推进两种材料系统时更新我们的观点。对于InGaN，我们用于制造红色外延晶圆的工艺采用标准LED生产衬底和反应器。采用这种方法，我们的用于蓝色、绿色和红色LED的InGaN晶圆可以在芯片制造中互换。这与许多制造红色LED的奇特方法形成对比，例如选择性区域外延、多孔GaN模板和InGaN伪衬底。从性能的角度来看，所有这些都可能很有趣，但在制造成本和复杂性方面存在明显的缺点。

图3.图2所示绿色LED的光谱参数与电流密度的关系。虚线表示半峰宽（FWHM），实线表示在低电流密度下相对于其值的峰值波长偏移。

我们团队生产的具有代表性的InGaN红色LED的发射很宽，但在微观尺度上空间均匀，即使在非常低的注入电流下（见图4）。对于这种宽光谱，主波长基本上短于峰值波长；因此，为了让眼睛真正感觉到这种发射为红色，峰值波长必须在红色范围内。虽然峰值波长短至600 nm的InGaN LED在文献中被称为“红色”，但它们实际上无法满足显示器应用的最低颜色要求。我们的外延技术能够在高达50 A cm^-2的电流密度下产生真正的红色发光的LED。这些器件的光电转换效率与公布的具有类似主波长的InGaN LED相比具有优势。

图4. 40 A cm^-2下工作的InGaN红色LED的光谱，峰值波长为638 nm，主波长为610 nm。插图显示了在光学显微镜下观察到的发射表面，对应于发光开始正向电压为1.8V。

伴随驱动电流的波长偏移的问题之一是，它可能导致显示器在不同亮度水平下产生的颜色变化。虽然脉冲宽度调制（PWM）很容易克服这一点，但InGaN红色光谱对电流密度的灵敏度对显示器应用有影响。在显示器中部署蓝色和绿色LED时，通常的做法是将效率绘制为一个器件或具有相同波长目标的一组器件的电流密度的函数（见图5）。但对于InGaN红色LED，更好地可视化附带数据的方法是使用等高线图，以捕捉许多LED的特性，通过控制QW铟浓度的变化获得波长差异（见图6）。该图的优点之一是，它表示了特定颜色要求的效率和电流密度之间的权衡，以主导波长表示。

图5.具有不同波长目标的两个代表性封装1mm×1mm InGaN红色LED的光电转换效率（WPE）与电流密度（J）的关系。颜色条指示每个点发射光谱的主要波长。

图6.电流密度和该电流密度下主波长变化的等高线图的InGaN红色光电转换效率（WPE）。由WPE和频谱测量构建该图与具有不同量子阱铟浓度的相同外延设计的许多封装的1mm×1mm LED的电流密度关系。

       对于红色InGaN LED，在较高电流密度下维持可接受的颜色特性所付出的代价是效率骤降。解决方法是优化外延工艺，以制造具有非常特定电流密度的红色LED。在足够低的电流密度下，有可能超过10%的WPE，但以这种方式驱动的LED可能达不到辐射要求。通过细化外延来改善红色InGaN LED的最大机会与提高IQE、缩小光谱宽度和最小化蓝移有关。当以低电流密度驱动时，InGaN红色LED的工作电压已经接近其发射波长预期的理论最小值（见图7）。

图7.具有不同波长目标的两个代表性InGaN红色LED的电流密度-电压（J-V）曲线。颜色条指示每个点发射光谱的主要波长。

        前面段落中描述的结果适用于“宏”LED。数据显示了外延的最佳性能，使用具有高光提取效率且不受表面复合影响的管芯设计。

从宏观到微观

        我们还描述了由类似外延晶圆生产的具有不同台面尺寸的microLED组合的性能。今年早些时候，我们在SPIE Photonics West会议上报告了这项研究的结果（我们的结果总结见图8）。该研究涉及制造具有台面的阵列，这些台面大小相同，并与连续n型半导体层并联连接。为了增加光提取，我们在移除生长衬底后对n型层进行纹理化。InGaN绿色和蓝色LED均用于基准测试。将我们的InGaN LED系列与我们的AlInGaP LED进行比较并不简单，因为需要不同的芯片制造工艺，这可能会影响效率。然而，我们已尽一切努力尽量减少这种影响。

       我们的结果与其他研究结果一致，表明对于InGaN microLED阵列，随着波长的增加，效率对台面尺寸的灵敏度降低，而对红色的灵敏度几乎为零。一些人推测，这种行为是由于取决于载流子定位的量子阱内横向扩散长度的差异所致。

        我们研究的另一个重要发现是，在固定电流密度下，InGaN阵列的发射轮廓基本上与台面尺寸保持不变，直至所研究的仅为2µm的最小尺寸。这一观察结果与有限元分析的结论一致，有限元分析表明，从台面边缘开始的应变松弛长度尺度远低于1µm。

        对于我们的InGaN microLED的所有颜色，我们发现绝对WPE显著低于相应的宏LED。我们将这种差异主要归因于宏LED的更高提取效率，这是由于其封装和使用具有更低光学损耗的芯片材料。然而，蓝色和绿色microLED阵列的效率也受到表面复合的阻碍。

图8.不同颜色的microLED阵列的光电转换效率与电流密度的函数关系。实线、虚线和虚点线按台面尺寸减小的顺序表示数据（InGaN为7µm、4µm和2µm；AlInGaP为9µm，6µm或4µm）。对应于峰值效率的主要波长为605nm（InGaN红色）、630nm（AlInGaP红色）、540nm（绿色）和460nm（蓝色）。

        只要LED的电流密度没有硬上限限制，由AlInGaP制成的LED能够比其InGaN对应物具有更高的效率，台面尺寸至少为4µm。更重要的是，AlInGaP LED随着电流密度的变化具有更小的色移，并且它们的光谱更窄，半最大值全宽约为20nm。然而，与InGaN对应物相比，由于其更高的表面复合速度，AlInGaP microLED对台面尺寸具有显著的敏感性；为了最大化其效率，必须在高电流和低PWM占空比下驱动。为了在系统层面上最大限度地降低由此产生的效率权衡，目前许多研究和开发都致力于在低电流密度下提高AlInGaP microLED的内部量子效率。

        对于直接观看应用，例如对颜色特性有严格要求的电视，显示器采用相对较大的像素尺寸。在这里，AlInGaP的优势有望在未来持续下去，因为它植根于基础物理学。采用AlInGaP QW的LED具有更高辐射复合系数的固有优势，主要是由于没有极化和QCSE。对于头戴式显示器来说，情况就不同了，它要求像素尺寸不超过几微米。基于我们对两种材料系统的结果外推到更小的像素尺寸，表明InGaN可能是头戴式显示器的首选红色发射器材料，因为AlInGaP中的表面复合损耗高得多。

InGaN的情况可能会加强，因为我们的InGaN红色外延仍处于早期优化阶段。我们相信，利用使我们在绿色LED方面取得成功的优化策略，还有进一步的机会来减少InGaN红色LED的下垂并改善其光谱特性。

进一步阅读

E. Kioupakis et al. “Interplay of polarization fields and Auger recombination in the efficiency droop of nitride light-emitting diodes”, Appl. Phys. Lett. 101 231107 (2012)
† C-K. Li et al. “3D numerical modeling of the carrier transport and radiative efficiency for InGaN/GaN light emitting diodes with V-shaped pits”, AIP Advances 6 055208 (2016)
† Y. Robin et al. “What is red? On the chromaticity of orange-red InGaN/GaN based LEDs”, J. Appl. Phys. 124 183102 (2018)
† J. Flemish et al. “MicroLED architectures for low-power display applications”, Proc. SPIE 12022, Light-Emitting Devices, Materials, and Applications XXVI, 1202203 (3 March 2022)
† J.M. Smith et al. “Comparison of size-dependent characteristics of blue and green InGaN microLEDs down to 1 µm in diameter”, Appl. Phys. Lett. 116 071102 (2020)

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