InGaN μLED外部量子效率改进最新研究成果 有望消除高性能μLED发展瓶颈

极智头条
台湾交通大学郭浩中教授与南方科技大学刘召军教授和河北工业大学毕文刚及张紫辉教授合作,使用Crosslight计算平台的数值模拟结合实验制备研究,分析不同的量子位障层对于InGaN μLED外部量子效率的改进,所提出的方法有望消除高性能μLED发展的瓶颈。此外,这项工作中提出的组件物理将增进对于InGaN的μLED的理解,研究成果被刊登在国际知名期刊《Nanoscale Research Letters》[1]。

III族氮化物的发光二极管(LED)由于具有高亮度、低功耗和使用寿命长的独特性,迄今为止,已引起了广泛的研究兴趣,大尺寸InGaN/GaN蓝光LED已经取得了巨大进步并实现了商品化,并已在固态照明和大尺寸面板显示器中得到应用。但常规的InGaN/GaN LED的调变带宽很小,因此不适用于可见光通信(VLC)。同时,较大的芯片尺寸使得智能型手机的显示器和可穿戴手表显示器的像素容量低。因此,在当前阶段,芯片尺寸小于100 μm的InGaN/GaN微型LED (Micro LED,μLED)引起了广泛的关注。

尽管具有上述优点,但μLED的进一步开发仍需要解决许多问题,例如高精度的巨量转移和与芯片尺寸相关的效率之提升。芯片尺寸相关效率的下降是由制造台面(mesa)时的干蚀刻所引起的表面损伤,会产生大量缺陷,从而引起表面非辐射复合。对于不同类型的光电组件,组件的晶体质量和电荷传输是影响光电性能的基本参数。对于μLED,缺陷区域的表面复合会降低μLED的内部量子效率(IQE)。在我们先前的研究中[2],进一步发现,随着芯片尺寸的缩小,电洞会更容易被缺陷捕获,并且随着芯片尺寸的减小,μLED的电洞注入能力可能会变得更差。因此,减小侧壁缺陷密度对效率而言非常重要。比较简易的方法是使用电浆辅助化学气相沉积(PECVD)或原子层沉积(ALD)沉积电介质钝化层,来减少侧壁的缺陷。

当芯片尺寸变小时,由于横向电阻降低,电流扩展的效果会变得更好。因此,我们提出另一种途径来降低另一方向(纵向)的电阻,以更好地将电流限制在台面内,并使载子远离侧壁缺陷,抑制表面非辐射复合。为了实现该目标,我们减小量子位障层(quantum barriers)的厚度来控制能障(energy barriers)和纵向电阻。通过数值模拟计算,电流可以更好的限制在台面内,因此降低表面非辐射复合会减少电洞的消耗。此外,变薄的量子位障层使多重量子井(MQWs)上的电洞分布均匀化。结果表明,量子位障层厚度的减少,使μLED的外部量子效率(EQE)得到改善。


Fig. 1 Calculated EQE and Optical power density in terms of the injection current density for μLEDs I, II and III, respectively. Inset figure of(a) shows the experimentally measured EQE for μLEDs I and III, respectively. Inset figures of (b) and (c) present the measured and numerically calculated EL spectra fr μLEDs I, and III. Data for inset figures (b) and (c) are collected at the injection current density level of 40 A∕cm2.

Reference
[1] Le Chang, Yen-Wei Yeh, Sheng Hang, Kangkai Tian, Jianquan Kou, Wengang Bi, Yonghui Zhang, Zi-Hui Zhang , Zhaojun Liu and Hao-Chung Kuo (2020) Alternative Strategy to Reduce Surface Recombination for InGaN/GaN Micro-light- Emitting Diodes-Thinning the Quantum Barriers to Manage the Current Spreading. Nanoscale Research Letters.

[2] J. Kou, C.-C. Shen, H. Shao, J. Che, X. Hou, C. Chu, K. Tian Y. Zhang, Z.-H. Zhang and H. -C Kuo (2019) Impact of the surface recombination on InGaN/ GaN-based blue micro-light emitting diodes. Opt Express 27(12):0-0.
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