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提取10μm以下LED的效率占比
2023/11/29 9:23:46 材料来源：雅时
法国原子能委员会电子与信息技术实验室格勒诺布尔阿尔卑斯大学（Universtité Grenoble Alpes, CEA-LETI）利用阴极发光技术，解开了10μm以下氮化铟镓（InGaN）发光二极管（LED）各类效率的尺寸依赖性。[Palmerina González-Izquierdo et al, ACS Photonics, published online, 16 October 2023]
该团队报告称：“我们的研究结果表明，小型μLED（宽度介于2.5μm和10μm之间）存在一个最佳的中等LED尺寸，在此尺寸下，光发射达到最大化，我们将其归因于光提取效率（LEE，随LED尺寸增大而降低）和内部量子效率（IQE，随LED尺寸增大而提高）之间的竞争。在先前的大多数研究工作中，一般会研究大型LED的内部量子效率或光提取效率与尺寸之间的关系，与之相反，我们因研究10μm以下μLED的内部量子效率和光提取效率之间的相互作用而脱颖而出。”
近期，研究人员一直在开发μLED，特别是面向显示器应用的μLED，使其与液晶产品和有机LED产品竞争，用于增强现实和虚拟现实的微型显示器。其他潜在应用还包括可见光通信、光遗传学（可通过光控制细胞活动）。
CEA-LETI格勒诺布尔阿尔卑斯大学团队通过分离外部量子效率（EQE）中光提取效率和内部量子效率的占比，发现光提取效率和内部量子效率分别与尺寸和几何形状有关，借此希望为实现μLED的高效微型化铺平道路。
该团队通过金属有机气相外延（MOVPE）技术，在直径为200mm的硅（111）取向基底上生长出基于InGaN的LED异质结构。有源发光区包含带有5层对2nm/8nm InGaN/GaN阱/势垒的多量子阱（MQW）。
此结构包括n型和p型GaN层、氮化铝镓（AlGaN）电子阻挡层，顶层为透明氧化铟锡（ITO）导体，对用于生产LED的外延材料而言，该结构为一种常规结构。
研究人员通过电感耦合等离子体（ICP）将这种材料蚀刻成方形和圆形的μLED台面结构。研究人员为进行阴极发光分析，采用氢氟酸和盐酸湿工艺去除氧化铟锡层。
使用聚焦的10keV电子束激发阴极发光，电子束流为12nm。嵌入电子物镜的光学显微镜收集200μm区域内的数据。使用蒙特卡洛模拟寻找探测多量子阱结构的最佳电子束能量。
使用硅衬底进行阴极发光研究的一个好处是，硅衬底能吸收发出的光，实际上消除了不同介质区域激发响应之间的串扰，与此不同的是，折射率不同的材料之间存在界面，蓝宝石等透明衬底会在这些界面上发生反射。
研究人员首先观察了方形或圆形等不同台面在室温（RT）下的阴极发光响应（图1）。将数据归一化为每种形状的最高值，并对穿过台面中心的路径上的条带取平均值。方形台面的路径与一侧平行。台面的直径/边长分别为2.5μm、5.0μm、7.5μm、10.0μm。
图1：（a）室温下，四种不同尺寸的方形/圆形台面的集成多量子阱阴极发光曲线。（b）图a台面中部区域的最大强度（实心标记）和平均强度（空心标记）。
观察到的一个现象是，阴极发光强度最大值出现在距离最大台面边缘约3.5μm的范围内。研究团队指出，这比GaN（0.1-1μm）或InGaN的少数载流子扩散长度还要大。由于较小的台面直径/边长小于7μm，研究人员评论说：“整体都受到了非辐射复合的影响，而非辐射复合是因侧壁缺陷而产生的。”
研究团队指出，7.5μm圆形台面结构似乎存在问题，其中央台面区域平均阴极发光强度的标准偏差很大便说明了这一点。
图2：（a）10K时集成多量子阱阴极发光曲线。（b）图a中部区域的最大强度（实心标记）和平均强度（空心标记）。
然后，研究人员比较了室温下所得结果与10K低温下所得结果（图2）。将室温阴极发光数据视为外部量子效率趋势的指示，而低温下的数据则代表光提取效率，因为低温下的内部量子效率预计接近100%。使用低温数据表示光提取效率的想法源于理论预期，即冻结电子与空穴的非辐射性复合途径。尤其在Shockley–Read–Hall (SRH)模型中，导带电子通过缺陷水平与价带空穴进行非辐射复合时存在温度依赖性便表明了这一点。
图3：（a）根据归一化强度绘制的多量子阱室温强度/低温强度曲线图。（b）图a台面中部区域的最大值（实心标记）和平均值（空心标记）。
内部量子效率由外部量子效率/光提取效率得出；光提取效率预计与温度基本无关。因此，阴极发光强度比I（RT）/I（LT）（室温强度/低温强度）预计与室温下的内部量子效率成正比（图3）。
阴极发光结果表明，光提取效率（图2）和内部量子效率（图3）随尺寸的变化呈相反趋势，即分别减小和增大。对于圆形台面，图3表明其直径接近7.5μm时，内部量子效率最佳，而直径为10μm时，内部量子效率则急剧下降，但CEA-LETI格勒诺布尔阿尔卑斯大学团队呼吁应谨慎行事：“室温下，台面尺寸为7.5μm时，测得的阴极发光强度值呈现出广泛分布，如图2所示的平均值和标准偏差。因此，关于这一下降是真正的下降还是类似于方形台面中观察到的阻尼效应，归纳结论时必须非常谨慎。”
研究人员总结道：“分析表明，室温下中等尺寸7.5μm台面结构的最佳光发射可用两种几何形状的光提取效率和内部量子效率之间的相互作用来解释：光提取效率随台面尺寸的增大而减小，而内部量子效率则受非辐射复合的影响，非辐射复合是侧壁缺陷产生的，对周长表面比更高的台面影响最大。”
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