Микро светодиоды на основе самоподдерживающегося GaN

Микросветодиоды на основе самоподдерживающегося GaN

Китайские исследователи изучают преимущества использования самоподдерживающегося (FS) нитрида галлия (GaN) в качестве субстрата для миниатюрных светодиодов (LED) [Guobin Wang et al, Optics Express,v32В частности, the team has developed an optimized indium gallium nitride (InGaN) multi-quantum well (MQW) structure that performs better at lower injection current densities (about 10A/cm2) and lower drive voltages for advanced microdisplays used in augmented reality (AR) and virtual reality (VR) devices, где более высокая стоимость самообеспечения GaN может быть компенсирована повышенной эффективностью.

Исследователи связаны с Университетом науки и технологии Китая, Сучжоуским институтом нанотехнологий и нанобионики, Институтом исследований полупроводников третьего поколения Цзянсу,Нанкинский университет, Университет Сучоу и Suzhou Navi Technology Co., Ltd.Исследовательская группа считает, что этот микро-LED, как ожидается, будет использоваться в дисплеях с сверхвысокой плотностью пикселей (PPI) субмикронных или нано-LED конфигураций.

Исследователи сравнили производительность микро-светодиодов, изготовленных на самоподдерживающемся шаблоне GaN и шаблоне GaN / сапфир (рисунок 1).

Рисунок 1: а) эпитаксиальная схема микро-LED; б) эпитаксиальная пленка микро-LED; в) структура микро-LED; г) изображения поперечного сечения электронного микроскопа передачи (TEM).

Эпитаксиальная структура металоорганического химического отложения паров (MOCVD) включает диффузионный/расширительный слой носителя галлиевого нитрида алюминия (n-AlGaN) N-типа 100nm, контактный слой n-GaN 2μm,Непреднамеренный допинг (u-) GaN с высокой мобильностью электронов на 100 нм с низким уровнем силана, 20x(2.5nm/2.5nm) In0.05Ga0.95/GaN слой высвобождения деформации (SRL), 6x(2.5nm/10nm) синий InGaN/GaN многоквантовый колодец, 8x(1.5nm/1.5nm) p-AlGaN/GaN электронный барьерный слой (EBL),80 нм слой инъекции P-гана в отверстие и 2 нм сильно допированный контактный слой p+-GaN.

Эти материалы изготавливаются из светодиодов диаметром 10 мкм с прозрачным контактом оксида индия и олова (ITO) и пассивацией боковой стенки диоксида кремния (SiO2).

Чипы, изготовленные на гетероэпитаксиальных шаблонах GaN/сапфира, демонстрируют большие различия в производительности.интенсивность и пиковая длина волны сильно варьируются в зависимости от положения в чипеПри плотности тока 10 А/см2, чип на сапфире показывает смещение длины волны 6,8 нм между центром и краями.один чип только на 76% сильнее другого.

В случае чипов, изготовленных на самоподдерживающемся GaN, изменение длины волны уменьшается до 2,6 нм, а интенсивность работы двух различных чипов намного ближе.Исследователи объяснили изменение однородности длины волны различными состояниями напряжения в однородных и гетероструктурах: Раманская спектроскопия показала, что остаточные напряжения составляли 0,023 ГПа и 0,535 ГПа соответственно.

Катодолюминесценция показала, что плотность вывихов гетероэпитаксиальных пластин составляет около 108/см2, в то время как у гомогенных эпитаксиальных пластин - около 105/см2."Низкая плотность дислокации минимизирует путь утечки и повышает эффективность света.

По сравнению с гетероэпитаксиальными чипами, хотя обратный ток утечки однородных эпитаксиальных светодиодов уменьшается, точный отклик под предварительным уклоном также уменьшается.Чипы на самоподдерживающемся GaN имеют более высокую внешнюю квантовую эффективность (EQE)При сравнении эффективности фотолюминесценции при 10K и 300K (комнатная температура),Внутренняя квантовая эффективность (IQE) обоих чипов оценивалась в 730,2% и 60,8% соответственно.

Исходя из работы по моделированию, исследователи разработали и реализовали оптимизированную эпитаксиальную структуру на самоподдерживающемся GaN,который улучшил внешнюю квантовую эффективность и напряжение микродисплея при более низкой плотности впрыска (рисунок 2)В частности, однородная эпитаксия обеспечивает более тонкий потенциальный барьер и четкий интерфейс.в то время как та же структура, достигнутая в гетероэпитаксии, показывает более расплывчатый контур при электронной микроскопии передачи.

Рисунок 2: Изображения электронного микроскопа передачи области многоквантовой скважины: а) оригинальные и оптимизированные структуры гомоэпитаксии и б) оптимизированные структуры, реализованные в гетерогенной эпитаксии.c) Внешняя квантовая эффективность однородного эпитаксиального микро-LED-чипа, d) кривая тока и напряжения однородного эпитаксиального микро-LED-чипа.

В некоторой степени более тонкий барьер имитирует V-образные ямы, которые, как правило, образуются вокруг вывих.,Например, улучшение впрыска отверстия в область излучения света, отчасти из-за истончения барьера в многоквантовой структуре скважины вокруг V-ямы.

При плотности впрыска 10 А/см2 внешняя квантовая эффективность однородного эпитаксиального светодиода увеличивается с 7,9% до 14,8%.Напряжение, необходимое для подачи тока 10μA, уменьшается с 2.78 В до 2.55 В.