关于InGaN的μLED、蓝光钙钛矿LED性能的两项研究进展

中国之光网 · 2020-07-31

国内四位教授新研究成果有望破除高性能μLED发展瓶颈

近日，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InGaNμLED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。

并且，在该项工作中所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》上[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100μm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 μLEDsI, II and III, respectively.Inset figure of(a) shows the experimentally measured EQE for μLEDsI and III, respectively. Insetfigures of (b) and(c) present the measured and numerically calculated EL spectra frμLEDsI, 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.

（来源：半导体照明网）

国内两高校教授提出双配体策略助蓝光钙钛矿LED性能提升

金属卤化物钙钛矿材料是光电领域的新一代明星材料。由于钙钛矿具有易于溶液制备、组分带隙易调、荧光量子效率高、半峰宽窄和电子-空穴传输能力相当等优点而被用于发光二极管作为发光层材料。经过短短几年的快速发展，红光和绿光钙钛矿LED的性能迅速提升，外量子效率都已超过20%。然而，蓝色钙钛矿LED是研究的短板，存在光谱不稳定、效率低、稳定性差等问题。在三维钙钛矿的基础上引入有机配体，形成具有层装结构的准二维钙钛矿，利用其量子限域效应是实现蓝光发射的一个有效方法。然而，准二维钙钛矿的晶粒小，晶界的比例更大，因此晶界处的缺陷对薄膜的荧光强度具有重要影响。如果表面配体与钙钛矿结合不牢固，会导致辐射复合的比例下降,薄膜荧光量子产率降低。此外，采用Cl掺杂的准二维钙钛矿在电场作用下，容易发生Cl、Br相分离，导致器件的EL光谱发生偏移，严重影响器件的稳定性。因此要提升蓝光钙钛矿LED的性能，就必须克服上述问题。

最近，北京化工大学谭占鳌教授联合华北电力大学王福芝副教授，提出了一种通过双配体来改善准二维钙钛矿表面配体稳定性，提升薄膜荧光量子产率，进而制备高效蓝光钙钛矿LED的策略。相关论文在线发表在Small (DOI:10.1002/smll.202002940)上。

苯乙胺基团(PEA)具有较高的三线态能级，激子不易被其捕获发生淬灭，因此在准二维蓝光钙钛矿中被广泛采用。但是作者通过分子动力学计算发现，PEA与CsPbBr2.1Cl0.9钙钛矿之间的结合能较低(-3.89eV)，引入适量异丁胺基团(iBA)后能够有效地改善表面配体结合能(-4.44eV)，增强了钙钛矿薄膜的光学性能。如图1所示，通过调整PEA与iBA的比例，可以改善薄膜内二维相的比例分布,使得薄膜的荧光量子产率由21%提升至45%。

图 1.(a)基于PEA和iBA双配体的准二维钙钛矿结构及能带变化示意图，基于不同配体(PEA:iBA)比例的准二维钙钛矿的(b)紫外-可见吸收光谱、(c)荧光光谱及(d)光学照片。

通过调控PEA与iBA的比例，可以改善薄膜内二维相的比例分布，合理的相分布可有效提升电子和空穴的注入和传输性能。AFM和PL mapping测试表明，双二维阳离子的引入使钙钛矿薄膜的形貌更加平整，发光峰分布更加均匀(集中在475nm)，局部发光强度大幅提升。

（来源：MaterialsViews）