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

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。