提升InGaN基红光Micro LED效率,法国这一团队有新进展
2021-10-22 01:38 [编辑: MiaHuang]

随着Micro LED逐步走近大众视野,跨越瓶颈问题显得愈加迫切,其中就包括红光Micro LED的生产和效率问题。

InGaN材料潜力大,但效率提升仍受限


多项研究表明,基于磷化物结构的红光LED,外量子效率等性能会随着芯片尺寸缩小而降低,尤其是当尺寸微缩至10μm以下时,因长载流子扩散长度及侧壁高密度表面缺陷,性能损失会更为严重。不过,这一难题在近年来接连取得重要突破。

美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)、阿卜杜拉国王科学技术大学(KAUST)、GaN Micro LED材料开发商Porotech、半导体材料商Soitec、首尔伟傲世、晶能光电等不少全球学者、研究者和技术开发商的研发成果均表明,基于InGaN材料制造的红光Micro LED拥有更好的性能,在助力实现Micro LED全彩化方面前景可期。

但需要注意的是,现阶段红光Micro LED的效率仍受限,特别是尺寸小于10μm以下的芯片效率还远远达不到AR/VR、智能眼镜、抬头显示器等Micro LED终端显示设备的要求。上述提及的UCSB、KAUST、晶能光电等当下也在积极通过优化生产步骤、提升材料质量等不同方式来提升外量子效率。

法国团队开发新型结构,有助于提升红光芯片效率


最近,由Soitec与格勒诺布尔-阿尔卑斯大学(Université Grenoble Alpes,UGA)组成的研究团队在基于隐埋氧化物的InGaN层上采用外延层沉积技术开发InGaN基红光LED,相比在传统衬底生长的红光LED,产生的应力更少。换句话说,通过减少InGaN层的应力,可以提升InGaN基红光Micro LED的效率。

据介绍,这个结构是通过Soitec专有的Smart Cut工艺构成,由于面内晶格参数增高,铟合并能力增强,InGaN量子阱能够跨越整个可见光光谱范围。与此同时,InGaN结构还能够降低器件活动区的内部电场,有利于实现更高的效率。

去年,该法国研究团队公布了基于InGaN Smart Cut衬底的红光Micro LED的研究成果,彼时研发的芯片尺寸范围为300μm×300μm到50μm×50μm。而最新的研究成果获得了突破,芯片尺寸缩小至10μm。

在最新研究中,研究者团队采用两个变量。一个是铟含量为8%的InGaN种子层,厚度为120nm;另一个是铟含量为11%的InGaN种子层,厚度同样是120nm。两种都具有曲面台阶衬底形状及V形缺陷,缺陷密度及尺寸会随着铟含量的增加而提高。例如,铟含量增加使得V形凹面的尺寸从3×107cm-2及100nm扩大至2×108cm-2及130nm。

在芯片生产过程中,首先是将衬底装载在MOCVD反应腔中,再沉积一个包括15周期超晶格的外延堆叠层、一个多量子阱活动区及一个电子阻挡层。

上图展示的是超晶格的细节图,N型In0.03Ga0.97N/GaN为活动区提供基础,包含了5层2nm厚的In0.4Ga0.6N量子阱,由7.5nm厚的In0.03Ga0.97N阻挡层隔开。其中,15nm厚的电子阻挡层由Al0.1Ga0.9N制成。用高清透射式电子显微镜观察该异质结构,能够发现由于局部应力松弛,活动区及电子阻挡层中有额外的错位。

此前,研究团队采用传统LED芯片制备工艺来生产300μm×300μm至10μm×10μm的LED。而之前制备的器件组合受V形缺陷的限制,即当它们经过整个结构时,就会从阳极到阴极之间产生一个电气通路。为了解决这个问题,用于生产最新一代发射器的制造工艺包括增加一层保形层,通过化学机械抛光实现平面化。

同时,光致发光测量表明,衬底中铟含量的提升可推动Micro LED发射峰从635nm升高至653nm,波长更长,晶格参数就更高。

光提取效率、工作电压、晶体质量是关键影响因素

从终端应用层面来看,Micro LED要在潜力较大的VR/AR显示器等应用中采用,尺寸需要缩小至10微米以下,且据UCSB介绍,外量子效率应至少为2%-5%才能满足Micro LED显示器的需求。

研究团队指出,10μm的Micro LED芯片在8A·cm-2条件下,外量子效率最高仅为0.14%,低于UCSB团队0.2%的研发成果,而这主要是受光提取效率低的影响。

具体而言,法国研究团队制备的Micro LED芯片,光从背面收集,但与P型接触的衬底没有覆盖所有顶层的结构,也没有金属能够阻止光从侧壁流失。同时,由于经过背面的光需穿过超晶格、隐埋氧化物及蓝宝石衬底,这一过程也影响了光提取效率。因此,光提取效率的实际数值难以预估,不过根据模拟显示,光提取效率小于4%。

下一步,研究团队还需努力提升光提取效率、降低工作电压以及提高LED的晶体质量,才能改善Micro LED芯片的性能。尽管提升红光Micro LED芯片效率道阻且长,但相信在研究团队和技术开发商的共同努力下,只要“对症下药”,未来终将取得更进一步的胜利。(文:LEDinside Janice)

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