改善氮化镓Micro LED的MOCVD隧道结

美国加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）声称具有通过金属有机化学气相沉积法生长的具有外延隧道结（TJ）的氮化镓（GaN）基微型发光二极管（μLED）的最低正向电压（ MOCVD）[Panpan Li等人，Optics Express，第28卷，第18707页，2020年]。该电压仅略高于使用铟锡氧化物（ITO）透明导电电极的电压。

UCSB团队使用选择性区域生长（SAG）技术来创建带有穿孔的隧道结层。TJ中的穿孔孔用于在退火期间释放氢，以激活结的下层p-GaN层。氢钝化p-GaN的镁受体能级，抑制其捕获电子的能力并在价带中产生空穴。尽管可以使用分子束外延（MBE）来避免GaN TJ结构中的氢，但MOCVD在制造中是优选的。

业界正在寻求在各种应用中使用Micro LED：“本文提到了可穿戴设备，大面积显示器，增强现实（AR）和虚拟现实（VR）以及高速可见光通信（VLC）”。 。μLED比液晶显示器（LCD）或有机LED的潜在优势包括超高分辨率和更低的功耗。

与传统的p电极相比，使用TJ结构带来的好处包括简化制造，改善电流扩散和降低光子吸收率。通过将蓝色/绿色/红色μLED直接集成在与TJ连接的级联结构中，可以启用新的设备架构。

UCSB研究人员使用在图案化蓝宝石衬底（PSS）上生长的标准工业蓝氮化铟镓（InGaN）LED外延晶片，目标发射波长在440nm附近。选择性地添加硅掺杂的n + -/ n-GaN层，以提供穿孔的隧道结。（图1）。

图1：（a）通过SAG的GaN TJμLED的示意图结构; （b）显微镜和（c）制成的80μmx80μm器件的扫描电子显微镜图像。

实际上，在MOCVD工艺之前，先将二氧化硅生长并构图成p-GaN表面上的柱，这为孔穿孔提供了牺牲结构。然后在目标硅掺杂浓度分别为1.5x10 20 / cm 3和3x10 18 / cm 3的情况下，在1000°C下生长n + -和n-GaN层。

LED的制造包括用四氟化硅反应离子进行台面蚀刻，使用缓冲氢氟酸去除二氧化硅柱，在氮气中进行700°C退火以从p-GaN中驱除氢，从7中形成全向反射器对二氧化硅和五氧化二钽层，以及用于触点和金属焊盘的铝/镍/金沉积。

使用安装在银接头上并封装在硅树脂中的切块设备进行测试。已发现，与没有n + -/ n-GaN层穿孔的类似参考MOCVDTJ-μLED相比，在整个器件上发射的辐射更加均匀。实际上，在参考器件的边缘处的发射更大，这很可能是由于退火过程中氢的侧壁向外扩散所致。

带有穿孔的TJ-μLED的电气性能也很出色，对于给定的注入电流密度，可提供更紧密和更低的正向电压。相比之下，参考器件在更大的面积上显示出增加的正向电压，这表明在这些情况下，退火期间氢侧壁向外扩散的有效性降低。

为20A /厘米的正向电压2 3.7V在100微米：注射大约线性区域在参考设备降低2在10000μm和4.6V 2。相比之下，类似尺寸的穿孔TJ-μLED在20A / cm 2下的性能仅在3.24V和3.31V之间变化。

该团队指出，穿孔的TJ-μLED的正向电压仅比在p-GaN上带有ITO电极的传统μLED的正向电压高0.2-0.3V。研究人员评论说：“据我们所知，这些正向电压对于MOCVD生长的TJ的GaN LED最低，与MBE生长的TJ的GaN LED最低。”

图2：（a）具有SAG和ITOμLED的TJμLED的各种尺寸下20mA输出功率; （b）40μmx40μm器件的EQE与电流密度的关系

实际上，穿孔的TJ-μLED在更高的注入电流下在光输出功率方面显示出比基于ITO的器件更高的性能（图2）。在20mA时，在所有器件尺寸下，输出功率的增加约为10％。

对于40μmx40μmTJ-μLED，在注入100A / cm 2时，外部量子效率（EQE）为40％，而类似尺寸的参考器件为35％。研究人员认为，改进的EQE可以改善穿孔TJ层的光提取。研究小组说，进一步的积极因素可能是“改善了TJ的电流散布和减少了的光吸收”。