首尔Viosys和美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校探索缩小Micro LED直径的影响

行家说LED快讯 · 2020-03-27

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美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)和首尔Viosys一直在探索缩小绿色和蓝色氮化铟镓(InGaN)Micro LED直径的影响[Jordan M. Smith等,应用。物理 Lett。,vol116,p071102,2020]。由于尺寸缩小是由于器件表面的非辐射复合导致,LED中的外部量子效率(EQE)通常会降低。

UCSB / Viosys团队发现蓝色设备具有明显的这种效果,但是绿色LED受到的影响较小。实际上,在LED直径小于10μm的情况下,绿色设备比蓝色设备的效率更高。

研究人员还建议,与标准的商用铝镓铟磷化物(AlGaInP)产品相比,红色InGaN LED可能具有类似的直径交叉效应。人们会期望红色InGaN LED遭受更高的载流子定位效应,从而进一步降低表面复合速度(SRV)。

该团队报告说:“红色AlGaInP的SRV甚至高于蓝色InGaN的SRV,而红色InGaN的SRV低于绿色InGaN的SRV。因此,很可能在红色的AlGaInP和红色的InGaN微型LED之间存在类似的EQE交叉,其中InGaN器件将以较小的尺寸胜出。”

研究人员希望,诸如提高亮度和可靠性,降低功耗,延长使用寿命以及缩小InGaN micro-LED尺寸等因素,将导致4K电视,智能手机和增强现实(AR)眼镜的显示应用。

该团队报告:“尽管有商业需求,但对于5μm以下的台面尺寸,没有Micro-LED EQE趋势的报道。”

研究人员开发了一种联合干法蚀刻工艺,从而无需精确的单独步骤(图1)。介电孔是通过自对准湿式底切蚀刻形成的。该过程开始于在LED外延晶片上毯式沉积30nm的铟锡氧化物(ITO)透明导体,300nm的二氧化硅(SiO 2)和200nm的氮化硅(SiN)。


图1:LED制造:(a)毯式ITO / SiO2 / SiN沉积; (b)干台面蚀刻; (c)选择性的SiO2底切; (d)钝化溅射沉积; (e)SiO2剥离; (f)干法蚀刻钝化和形成接触/探针垫。

图1:LED的制造:(a)毯式ITO / SiO 2 / SiN沉积;(b)干台面蚀刻;(c)选择性的SiO 2 底切;(d)钝化溅射沉积;(e)SiO 2剥离;(f)干法蚀刻钝化和形成接触/探针垫。

使用干蚀刻来定义台面,同时使用缓冲的氢氟酸(HF)溶液选择性地底切SiO 2。通过溅射250nm氧化铝(Al 2 O 3)提供钝化。剥离工艺 使用蒸气HF 选择性去除了SiO 2材料。Al 2 O 3的干法蚀刻暴露了n-GaN接触层。最后,使用电子束蒸发和剥离技术施加反射性600/100 / 600nm铝/镍/金(Al / Ni / Au)普通触点/探针板。

制造是在设计用于绿色(532nm波长)和蓝色(467nm)LED的c面蓝宝石上的商用外延材料上进行的。圆形LED的直径范围从1μm到30μm。一次运行即可制造设备,以限制每次运行过程变化的影响。输出光被收集在器件的蓝宝石侧。

随着直径减小到5μm,蓝色LED的EQE下降,但在1-5μm范围内保持大致相同的水平(图2)。相比之下,绿色LED在整个1-30μm的直径范围内表现出较小的性能下降。


图2:对于(a)蓝色和(b)绿色波长,1-30μm器件的EQE与对数电流密度。 显示了具有最高测量峰值EQE的设备的结果。

图2:对于(a)蓝色和(b)绿色波长,1-30μm器件的EQE与对数电流密度。显示了具有最高测量峰值EQE的设备的结果。

蓝色器件也显示出向峰值EQE值的电流密度增加的转变。同样,绿色LED峰值电流密度显然不受影响。

就峰值EQE值而言,两种器件在10-30μm直径范围内均具有相当稳定的性能,蓝色LED性能的主要下降超过1-10μm范围。实际上,绿色器件在10μm直径以下显示出优异的峰值EQE。

研究人员评论说:“这种交叉现象非常显着,因为众所周知,块状绿色InGaN材料的内部量子效率(IQE)低于蓝色。” IQE较低的原因是材料质量较低,部分原因是维持铟含量所需的生长温度较低,以及InGaN和周围的GaN层之间的应变增加。其他因素包括来自化学键的不同离子性质的内建电场,这些离子键抑制辐射重组(量子限制的斯塔克效应),以及由于InGaN合金成分的不均匀性,载流子局部化导致的俄歇型重组增加。

研究人员将载流子定位作为直径较小的绿色LED的较高峰值EQE的可能解释。由于载流子被俘获/局域化,因此它们不太可能传播到LED表面,从而避免了一条通往非辐射复合的途径。