Μικρο-LED βασισμένα σε αυτοσυντηρούμενο GaN

Μικρο-LED βασισμένα σε αυτοσυντηρούμενο GaN

Οι Κινέζοι ερευνητές έχουν διερευνήσει τα οφέλη της χρήσης του αυτοεξουσιαζόμενου νιτρικού γαλλίου (GaN) ως υποστρώματος για μικροσκοπικές διόδους εκπομπής φωτός (LED) [Guobin Wang et al, Optics Express,v32Ειδικότερα, 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, όπου το υψηλότερο κόστος της αυτοσυντήρησης του GaN μπορεί να αντισταθμιστεί από αυξημένη αποτελεσματικότητα.

Οι ερευνητές είναι συνδεδεμένοι με το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας, το Ινστιτούτο Νανοτεχνολογίας και Νανοβιονικής Suzhou, το Ινστιτούτο Έρευνας Τρίτης Γενιάς Ημιαγωγών Jiangsu,Πανεπιστήμιο της Ναντζίνγκ, Πανεπιστήμιο Soochow, και Suzhou Navi Technology Co., Ltd.Η ερευνητική ομάδα πιστεύει ότι αυτό το μικρο-LED αναμένεται να χρησιμοποιηθεί σε οθόνες με υπερ-υψηλή πυκνότητα pixel (PPI) σε διαμορφώσεις sub-micron ή nano-LED.

Οι ερευνητές συνέκριναν τις επιδόσεις των μικρο-LED που κατασκευάστηκαν σε ένα μοντέλο GaN που υποστηρίζει τον εαυτό του και σε ένα μοντέλο GaN/σαφείρι (σχήμα 1).

Σχήμα 1: α) επιταξιακό σχήμα μικρο-LED, β) επιταξιακό φιλμ μικρο-LED, γ) δομή τσιπ μικρο-LED, δ) εικόνες διατομής με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM).

Η επιταξιακή δομή της χημικής εναπόθεσης χημικών ατμών μετάλλων-οργανικών (MOCVD) περιλαμβάνει στρώμα διασποράς/επέκτασης φορέα νιτρίδου γαλλίου αλουμινίου (n-AlGaN) τύπου N 100nm, στρώμα επαφής n-GaN 2μm,100nm χαμηλό σιλανικό μη σκόπιμο ντόπινγκ (u-) GaN υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων στρώμα, 20x(2.5nm/2.5nm) In0.05Ga0.95/GaN στρώμα απελευθέρωσης συμπίεσης (SRL), 6x(2.5nm/10nm) μπλε InGaN/GaN πολυκβαντικό πηγάδι, 8x(1.5nm/1.5nm) p-AlGaN/GaN στρώμα ηλεκτρονικού φραγμού (EBL),στρώμα ένεσης από τρύπα P-gan 80nm και στρώμα επαφής p+-GaN 2nm με ισχυρή ντόπιση.

Τα υλικά αυτά κατασκευάζονται σε LED διαμέτρου 10 μm με διαφανή επαφή με οξείδιο ινδίου και κασσίτερου (ITO) και παθητικοποίηση πλευρικού τοιχώματος διοξειδίου του πυριτίου (SiO2).

Τα τσιπ που κατασκευάζονται με ετεροεπιταξιακά πρότυπα GaN/σαφείρι παρουσιάζουν μεγάλες διαφορές απόδοσης.η ένταση και το μέγιστο μήκος κύματος ποικίλλουν σημαντικά ανάλογα με τη θέση μέσα στο τσιπΣε μια πυκνότητα ρεύματος 10 A/cm2, ένα τσιπ στο ζαφείρι δείχνει μια μετατόπιση μήκους κύματος 6,8 nm μεταξύ του κέντρου και των άκρων.Το ένα τσιπ είναι μόνο 76% ισχυρότερο από το άλλο..

Στην περίπτωση των τσιπ που κατασκευάζονται με αυτοσυγκρατούμενο GaN, η διαφορά μήκους κύματος μειώνεται σε 2,6nm και η απόδοση έντασης των δύο διαφορετικών τσιπ είναι πολύ πιο κοντά.Οι ερευνητές απέδωσαν την αλλαγή της ομοιομορφίας μήκους κύματος σε διαφορετικές καταστάσεις άγχους σε ομοιογενείς και ετεροδομές: Η φασματοσκοπία Ραμάν έδειξε ότι οι υπολειπόμενες τάσεις ήταν 0,023 GPa και 0,535 GPa, αντίστοιχα.

Η καθοδολουμινέσενση έδειξε ότι η πυκνότητα εξάρθρωσης των ετεροεπιταξιακών πλακιδίων ήταν περίπου 108/cm2, ενώ αυτή των ομοιογενών επιταξιακών πλακιδίων ήταν περίπου 105/cm2."Η χαμηλότερη πυκνότητα εξάρθρωσης ελαχιστοποιεί την διαδρομή διαρροής και βελτιώνει την φωτεινή απόδοση- Ναι.

Σε σύγκριση με τα ετεροεπιταξιακά τσιπ, αν και το αντίστροφο ρεύμα διαρροής των ομοιογενών επιταξιακών LED μειώνεται, μειώνεται επίσης και η ανταπόκριση του ρεύματος κάτω από προωθητική κλίση.τα τσιπάκια με αυτοσυντηρούμενο GaN έχουν υψηλότερη εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE)Με τη σύγκριση των επιδόσεων φωτοφωτισμού σε θερμοκρασία 10K και 300K (περιοριώδης θερμοκρασία), η ανάλυση της φωτεινής φωτεινότητας σε θερμοκρασία 10K και 300K (περιοριώδης θερμοκρασία) έδειξε ότι η ανάλυση της φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινής φωτεινΗ εσωτερική κβαντική απόδοση (IQE) των δύο τσιπ υπολογίστηκε σε 730,2% και 60,8% αντίστοιχα.

Βάσει της εργασίας προσομοίωσης, οι ερευνητές σχεδίασαν και εφάρμοσαν μια βελτιστοποιημένη επιταξιακή δομή σε αυτοσυντηρούμενο GaN,η οποία βελτίωσε την εξωτερική κβαντική απόδοση και την απόδοση τάσης της μικροεπιφάνειας σε χαμηλότερες πυκνότητες ρεύματος έγχυσης (Σχήμα 2)Ειδικότερα, η ομοιογενής επιταγή επιτυγχάνει ένα λεπτότερο δυναμικό φράγμα και μια οξεία διεπαφή.ενώ η ίδια δομή που επιτυγχάνεται στην ετεροεπιταξία δείχνει ένα πιο θολό περίγραμμα υπό την ηλεκτρονική μικροσκόπηση μετάδοσης.

Σχήμα 2: Εικόνες με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης της περιοχής του πολλαπλού κβαντικού πηγάδι: α) πρωτότυπες και βελτιστοποιημένες δομές ομοεπιταξίας και β) βελτιστοποιημένες δομές που πραγματοποιούνται σε ετερογενή επιταξία.γ) Εξωτερική κβαντική απόδοση ομοιογενούς επιταξιακού μικρο-LED chip, δ) καμπύλη τάσης-ρεύματος ομοιογενούς επιταξιακού μικρο-LED τσιπ.

Σε κάποιο βαθμό, ο λεπτότερος φραγμός προσομοιώνει τα V- σχήμα λάκκων που τείνουν να σχηματίζονται γύρω από την εξάρθρωση.,όπως η βελτιωμένη έγχυση τρύπας στην περιοχή εκπομπής φωτός, εν μέρει λόγω του αραιώματος του φραγμού στη δομή πολλαπλών κβαντικών πηγών γύρω από το V-pit.

Σε πυκνότητα ρεύματος ένεσης 10A/cm2, η εξωτερική κβαντική απόδοση του ομοιογενούς επιταξιακού LED αυξάνεται από 7,9% σε 14,8%.Η τάση που απαιτείται για την παροχή ρεύματος 10μA μειώνεται από 2.78V έως 2.55V.