中國的廈門大學和Latticepower Co Ltd報導了由生長在矽（Si）上的氮化鋁銦鎵（AlInGaN）結構製造的微米級發光二極管（LED）的特性，著眼於它們在顯示器中的使用，特別是用於虛擬現實和增強現實（VR/AR）系統[Xi Zheng等人，Appl.Phys.Lett.，v124，p051103，2024]。

小組評論說：“很少有人對生長在矽襯底上的InGaN基紅、綠色和藍色（RGB）微發光二極管系統的色度特性進行研究，這有助於更好地理解驅動器、背板集成和散熱的設計。”



圖1：（a）紅色、綠色和藍色微發光二極管的電致發光發射圖像（1 A/cm 2），直徑分別為8μm和20μm。(b)紅色/綠色/藍色微型LED的示意性橫截面。


研究人員在4英寸（111）矽上使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）來製備相應micro-LED的材料（圖1）。

製作了直徑為8μm和20μm的LED：第一步是用電子束蒸發在p-GaN接觸層上存款銀/鈦/鎢（Ag/Ti/W）。將該材料翻轉並鍵合到（100）Si襯底上，並去除（111）生長襯底。n接觸電極由氧化銦錫（ITO）組成。二氧化矽（SiO2）用於鈍化。

雖然綠色和藍色多量子阱（MQW）有源區使用具有InGaN阱和GaN勢壘的8週期結構，但紅色器件僅具有由AlN/AlGaN/GaN混合勢壘層分隔的InGaN的三個阱。其目的是減少晶格失配，減輕高銦含量InGaN外延層的應變。

較長波長的紅光發射裝置遭受性能降低。電流-電壓測量顯示理想因子（n，“理想”=1）隨波長增加：藍色、綠色和紅色微發光二極管分別為1.79、2.60和3.08。小組評論說：“當n大於2時，載流子注入效率的降低可能是由於嚴重的缺陷輔助的非理想載流子輸運，包括陷阱輔助隧穿、載流子洩漏等，紅色微發光二極管的n值較大可能是由於缺陷誘導的非輻射中心。”


表1：Micro-LED性能，8μm直徑。



對8μm直徑（表b）和20μ m直徑（表c）LED的光發射的研究表明，對於較長波長和較小直徑，外部量子效率（EQE max）最大性能降低。此外，發射光譜的半峰全寬（FWHM）對於綠色和紅色器件更寬。

較小器件的性能降低歸因於側壁損傷的重要性增加，從而導致電子和空穴電荷載體的更大的非輻射複合。


表2：Micro-LED性能，20μm直徑。




此外，更強的量子限制斯塔克效應（QCSE）和更高的缺陷密度在更高的銦含量的多量子阱需要更長的波長導致更嚴重的下降，在EQE在更高的電流注入從最大值。QCSE是指應變半導體結構中存在的強電場，來自不同層中化學鍵的不同電荷極化。

在較小的器件中降低的下垂效應歸因於“在較小的梅薩中更好的電流聚集和散熱”。

由於內建QCSE電場的屏蔽和帶填充效應有效地加寬了帶隙，器件在較高的電流注入下也發生了藍移。

研究人員計算了組合和單獨設備的顏色性能（圖2）。研究人員使用了ITU-Recommendation BT.2020（Rec.2020）和國家電視系統委員會（National Television Systems Committee）的比較標準。面積比比較使用RGB LED的概念顯示器的色度圖上的色三角區域與標準（因此它可以超過100%）。覆蓋率僅包括顯示三角形相對於標準內部的面積（因此必須小於100%）。



圖2：（a）混合RGB微型LED系統的LED面積比的電流密度依賴性。（B）不同電流密度下，Rec. 2020和Rec. 2020的覆蓋率。（c）尺寸為8μm和20μm的單獨RGB微發光二極管的色純度與電流密度的關係。

在RGB器件的色純度方面，隨著電流注入的增加，綠色LED的色純度嚴重下降。小組評論說：“由於RGB混合系統的色域對綠色自發光單元的色坐標更敏感，20μm綠色微發光二極管的色純度較低，會導致RGB混合微發光二極管系統的面積比和標準色域覆蓋率下降。”

研究人員還研究了器件在290K至350K之間的熱穩定性。20μm LED的漂移大於8μm LED。研究人員說，這表明“具有縮小梅薩尺寸的微發光二極管可以表現出上級色彩穩定性，這可以通過8μm微發光二極管更好的散熱和更高的色純度來解釋。”