提升InGaN基红光Micro LED效率，法国这一团队有新进
来源：司令 发布日期
2021-10-22 浏览：
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。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。
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