中国的厦门大学和Latticepower Co Ltd报道了由生长在硅（Si）上的氮化铝铟镓（AlInGaN）结构制造的微米级发光二极管（LED）的特性，着眼于它们在显示器中的使用，特别是用于虚拟现实和增强现实（VR/AR）系统[Xi Zheng等人，Appl.Phys.Lett.，v124，p051103，2024]。

小组评论说：“很少有人对生长在硅衬底上的InGaN基红、绿色和蓝色（RGB）微发光二极管系统的色度特性进行研究，这有助于更好地理解驱动器、背板集成和散热的设计。”



图1：（a）红色、绿色和蓝色微发光二极管的电致发光发射图像（1 A/cm 2），直径分别为8μm和20μm。(b)红色/绿色/蓝色微型LED的示意性横截面。


研究人员在4英寸（111）硅上使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）来制备相应micro-LED的材料（图1）。

制作了直径为8μm和20μm的LED：第一步是用电子束蒸发在p-GaN接触层上存款银/钛/钨（Ag/Ti/W）。将该材料翻转并键合到（100）Si衬底上，并去除（111）生长衬底。n接触电极由氧化铟锡（ITO）组成。二氧化硅（SiO2）用于钝化。

虽然绿色和蓝色多量子阱（MQW）有源区使用具有InGaN阱和GaN势垒的8周期结构，但红色器件仅具有由AlN/AlGaN/GaN混合势垒层分隔的InGaN的三个阱。其目的是减少晶格失配，减轻高铟含量InGaN外延层的应变。

较长波长的红光发射装置遭受性能降低。电流-电压测量显示理想因子（n，“理想”=1）随波长增加：蓝色、绿色和红色微发光二极管分别为1.79、2.60和3.08。小组评论说：“当n大于2时，载流子注入效率的降低可能是由于严重的缺陷辅助的非理想载流子输运，包括陷阱辅助隧穿、载流子泄漏等，红色微发光二极管的n值较大可能是由于缺陷诱导的非辐射中心。”


表1：Micro-LED性能，8μm直径。



对8μm直径（表b）和20μ m直径（表c）LED的光发射的研究表明，对于较长波长和较小直径，外部量子效率（EQE max）最大性能降低。此外，发射光谱的半峰全宽（FWHM）对于绿色和红色器件更宽。

较小器件的性能降低归因于侧壁损伤的重要性增加，从而导致电子和空穴电荷载体的更大的非辐射复合。


表2：Micro-LED性能，20μm直径。




此外，更强的量子限制斯塔克效应（QCSE）和更高的缺陷密度在更高的铟含量的多量子阱需要更长的波长导致更严重的下降，在EQE在更高的电流注入从最大值。QCSE是指应变半导体结构中存在的强电场，来自不同层中化学键的不同电荷极化。

在较小的器件中降低的下垂效应归因于“在较小的梅萨中更好的电流聚集和散热”。

由于内建QCSE电场的屏蔽和带填充效应有效地加宽了带隙，器件在较高的电流注入下也发生了蓝移。

研究人员计算了组合和单独设备的颜色性能（图2）。研究人员使用了ITU-Recommendation BT.2020（Rec.2020）和国家电视系统委员会（National Television Systems Committee）的比较标准。面积比比较使用RGB LED的概念显示器的色度图上的色三角区域与标准（因此它可以超过100%）。覆盖率仅包括显示三角形相对于标准内部的面积（因此必须小于100%）。



图2：（a）混合RGB微型LED系统的LED面积比的电流密度依赖性。（B）不同电流密度下，Rec. 2020和Rec. 2020的覆盖率。（c）尺寸为8μm和20μm的单独RGB微发光二极管的色纯度与电流密度的关系。

在RGB器件的色纯度方面，随着电流注入的增加，绿色LED的色纯度严重下降。小组评论说：“由于RGB混合系统的色域对绿色自发光单元的色坐标更敏感，20μm绿色微发光二极管的色纯度较低，会导致RGB混合微发光二极管系统的面积比和标准色域覆盖率下降。”

研究人员还研究了器件在290K至350K之间的热稳定性。20μm LED的漂移大于8μm LED。研究人员说，这表明“具有缩小梅萨尺寸的微发光二极管可以表现出上级色彩稳定性，这可以通过8μm微发光二极管更好的散热和更高的色纯度来解释。”