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自支撑衬底上的红光InGaN micro-LED

2024/2/4 9:30:48      材料来源:雅时化合物半导体

清华大学与中国北京凝聚态物理国家实验室宣布,采用自支撑氮化镓衬底(FGS)可提升红色氮化铟镓(InGaN)微型发光二极管(LED)的效率和器件阵列均匀性 [Luming Yu et al, Appl. Phys. Lett., v123, p232106, 2023]。研究人员称,从未有过蚀刻定义台面尺寸小于5μm的InGaN红光micro-LED。

尽管在可见光光谱的红光部分使用氮化铟镓(InGaN)很难实现高效率,但近来人们已做出许多努力,特别是在微米级器件方面,例如将微米级器件阵列用于增强现实和虚拟现实(AR/VR)应用的微型显示器,如军用飞机飞行员头盔中的平视显示器(HUD)。

与传统的红光LED材料如磷化铟镓铝(AlInGaP)相比,InGaN的优势包括更容易与绿光和蓝光InGaN LED集成,并且由于载流子向侧壁缺陷迁移较少(侧壁缺陷的重组往往是非辐射性的),因此能更好地缩小器件尺寸。

器件材料在纳维科技(苏州)的自支撑氮化镓衬底上生长,参考材料则通过金属有机气相外延在图案化蓝宝石衬底(PSS)上生长(图1)。在自支撑氮化镓衬底样品上,n-GaN缓冲层/接触层的厚度为2μm,而在图案化蓝宝石衬底上,n-GaN缓冲层/接触层的厚度为5μm。

图1:(a)外延结构示意图。(b)(a)中绿色方框的透射电子显微镜(TEM)放大图像。

该结构含24周期InGaN/GaN超晶格(SL)和两个蓝光InGaN量子阱(QW)组成的预应变层,中间由GaN量子势垒(QB)隔开。该结构发红光的部分包含单个量子阱,以及两个GaN势垒和氮化铝镓(AlGaN)帽层组成的三级结构。空穴注入由p型掺杂AlGaN电子阻挡层(EBL)和GaN接触层提供。

利用直写式电子束光刻制版、电感耦合等离子体蚀刻、氮化硅钝化的等离子体增强化学气相沉积(PECVD),制造出了红光InGaN LED的单一器件和阵列。这些器件未经刻意优化。

使用接触探针在晶圆上进行电测。以60°半角锥透过衬底收集光。

反向漏电流测量结果表明,器件侧壁损坏严重,而侧壁损坏可支配较小尺寸器件的性能。器件尺寸从20μm缩至1μm时,-5V下的反向漏电流从10-3增至1 A/cm2。注入5 A/cm2正向电流时,自支撑氮化镓衬底(样品A)的峰值波长为631nm,图案化蓝宝石衬底(样品B)的峰值波长为603nm。两种光谱的半最大全宽(FWHM)均为60nm左右。

研究人员评论道:“样品A的波长较长,因为自支撑氮化镓衬底的晶格常数较大,有利于铟的掺入。”

蓝光量子阱(约460nm)的发光强度大约低10倍以上。一些辐射的波长更短(约400nm),因为电子越过了电子阻挡层并在复合前到达p-GaN接触层。

50 A/cm2条件下,样品A上达到的峰值外部量子效率(EQE)为:20μm器件1.73%,1μm器件0.86%。峰值波长为614nm。在相同注入条件下,样品B的峰值外部量子效率为1.05-1.62%,但波长已蓝移至590nm。一般来说,基于样品B(图案化蓝宝石衬底)的LED,其峰值波长较基于样品A(自支撑氮化镓衬底)的LED短40nm左右。

根据光线追踪模拟,研究人员估计,在样品A和样品B上,1μm LED的总峰值外部量子效率分别为1.95%和2.78%。相应的内部量子效率(IQE)约为7.09%和6.00%。

注入电流密度为10 A/cm2时,样品A上1μm LED(10x10阵列)的相对亮度差异为0.27,注入电流密度为100 A/cm时,相对亮度差异为0.13(图2)。样品B的相应值分别为0.79和0.29。

图2:(a)-(d) 10x10阵列1μm micro-LED在不同条件下的亮度分布。(a) 10 A/cm2时样品A和(b)样品B。(c) 100 A/cm2时样品A和(d)样品B。小图:相应电流密度下的电致发光(EL)照片。(e)和(f)根据缺陷密度在不同衬底上制作micro-LED芯片的示意图。

研究人员认为,样品B的相对亮度差异较大,是因为其穿透位错密度较高:根据X射线衍射分析,约为2.29x108 /cm2,而纳维自支撑氮化镓衬底的规格为3.5x105/cm2。研究人员承认,进行外延后,自支撑氮化镓衬底的穿透位错密度可能高于规格,但穿透位错对晶体结构均匀性的影响不再支配摇摆曲线的半最大全宽时,就很难用X射线分析来估算穿透位错密度了。

穿透位错密度为108/cm2时,平均每1μm LED会有一个位错。然而,随机波动会导致一些LED没有位错,而另一些则有两个位错(泊松分布?)。相较穿透位错密度较低的样品A,这种变化会使样品B的亮度不均匀度更高。

 

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