由于調(diào)制帶寬較大、響應(yīng)速度快、安全性能高，基于Micro-LED的可見光通信技術(shù)逐漸成為人們關(guān)注的技術(shù)熱點。此外，由于材料的化學性質(zhì)穩(wěn)定、功耗低、使用壽命長，因此基于Micro-LED的顯示技術(shù)得到廣泛關(guān)注和研究投入；而為了滿足超高分辨率的顯示需求，LED尺寸需要進一步減小，因此可見光通信技術(shù)和新一代顯示技術(shù)都需要制備高發(fā)光效率的Micro-LED。
 

一般而言，芯片尺寸的減小有助于釋放在外延過程中因晶格失配而產(chǎn)生的應(yīng)力來改善發(fā)光效率，而且會使得芯片內(nèi)部電流擴展更加均勻，降低芯片內(nèi)部的結(jié)溫，同時還能在一定程度上提高光提取效率。盡管小尺寸的LED芯片具有諸多優(yōu)勢，但是當LED芯片的尺寸減小到50 ?m以下時，LED芯片的外量子效率會隨著尺寸的減小而急劇下降，這主要是由于芯片在刻蝕的過程中會在側(cè)壁區(qū)域產(chǎn)生嚴重損傷，導致載流子在側(cè)壁區(qū)域被與缺陷相關(guān)的SRH復合所消耗；之前的大量研究工作都是側(cè)重于改進側(cè)壁鈍化層的制備工藝技術(shù)，然而在最大程度提高外量子效率之前，充分理解Micro-LED內(nèi)部載流子注入和電子-空穴復合過程顯得尤為重要，因此，明確有關(guān)側(cè)壁缺陷對載流子注入的影響及所涉及的物理機制可以有針對性地對Micro-LED結(jié)構(gòu)設(shè)計進行充分優(yōu)化。
 

依托于Crosslight的半導體器件設(shè)計平臺，天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團隊、河北工業(yè)大學第三代半導體器件研究組針對此問題將從四個方面入手：其一，揭示Micro-LED中的尺寸效應(yīng)，即隨著器件尺寸減小，外量子效率急劇衰退的根本物理原因；其二，揭示側(cè)壁缺陷對Micro-LED發(fā)光過程的影響，結(jié)合理論計算，剖析電子陷阱和空穴陷阱對載流子輸運的影響，從而提出抑制尺寸效應(yīng)的可行性方案；其三，通過頻率調(diào)制模型揭示Micro-LED器件的截止頻率隨著器件尺寸的減小而逐漸增加，這對可見光通訊的發(fā)展具有重要的理論指導意義；其四，通過Micro-LED光子輸運模型揭示了合理器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計可有效避免Micro-LED內(nèi)部的crosstalk效應(yīng)，提高全彩顯示質(zhì)量。

為了探究藍光Micro-LED尺寸效應(yīng)的物理機制，設(shè)計了三組不同尺寸的對比研究實驗，分別為20 × 20 ?m?, 60 × 60 ?m? 和100 × 100 ?m?。在此項研究工作中，選用了兩個不同的物理模型來對藍光Micro-LED進行研究。如圖所示，在模型一中沒有考慮器件由于刻蝕產(chǎn)生的側(cè)壁缺陷，例如：LED Ⅰ、LED Ⅱ和LED Ⅲ，而在模型二中則充分考慮器件在刻蝕過程中產(chǎn)生的側(cè)壁缺陷，并引入表面缺陷復合模型，例如：LED A、LED B和LED C。

通過LED Ⅰ、LED Ⅱ和LED Ⅲ可以發(fā)現(xiàn)，外量子效率和光輸出功率隨著器件尺寸的減小而增加，這是因為器件尺寸的減小有利于改善器件內(nèi)部電流擴展，從而導致外量子效率和光輸出功率的增加。如果在計算過程中考慮表面缺陷，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，LED A、LED B 和LED C三個器件的外量子效率和光輸出功率均低于LED Ⅰ、LED Ⅱ和LED Ⅲ三個器件的性能，因為缺陷相關(guān)的非輻射復合過程消耗了部分載流子，導致性能下降。然后，進一步對比研究LED A、LED B 和LED C可發(fā)現(xiàn)，當考慮器件側(cè)壁缺陷后，外量子效率和光輸出功率隨著器件尺寸的減小而顯著降低。雖然小尺寸器件的電流擴展有所改善，但是缺陷相關(guān)的表面復合發(fā)揮了更加主導的作用，嚴重制約了器件的發(fā)光性能。此外，為了進一步驗證模型的準確性，本項工作制備了100 ?m和20 ?m Micro-LED器件，通過對比發(fā)現(xiàn)，基于模型二仿真計算的LED A和LED C外量子效率和插圖中的實驗數(shù)據(jù)趨勢極其吻合。通過對仿真和實驗數(shù)據(jù)充分分析，可以得出隨著Micro-LED表面與體積比的增加，側(cè)壁缺陷對于器件性能的影響則不容忽視。因此，這也更加說明表面復合模型對于Micro-LED的仿真計算是非常重要的。

由于側(cè)壁缺陷位于器件臺面邊緣部分，器件內(nèi)部的橫向載流子分布必然非常重要。圖（a）中觀察的現(xiàn)象與先前文獻的報道非常一致，即電流擁擠發(fā)生在p電極下方，并且當遠離p電極時載流子濃度逐漸降低。然而，由于LED C側(cè)壁缺陷的存在，器件臺面邊緣區(qū)域的載流子濃度迅速下降。因此一旦載流子到達了Micro-LED臺面邊緣區(qū)域，大量載流子則會被側(cè)壁缺陷捕獲，并發(fā)生與缺陷相關(guān)的非輻射復合。本項研究工作深層次分析了Micro-LED的器件物理，對進一步制備基于Micro-LED的高分辨微納顯示設(shè)備和多通道可見光通信系統(tǒng)具有重要的推動作用。
 

針對于Micro-LED側(cè)壁效應(yīng)造成器件性能不佳問題，需要對有源區(qū)的參數(shù)進行重新的優(yōu)化設(shè)計，盡可能地減小載流子的擴散長度，遠離器件臺面邊緣區(qū)域。為此，天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團隊、河北工業(yè)大學第三代半導體器件研究組依托Crosslight的半導體器件設(shè)計平臺，提出借助調(diào)控電流擴展策略來減少藍光Micro-LED的側(cè)壁效應(yīng)：通過減薄量子壘厚度，減小了電流的橫向擴展，抑制了Micro-LED側(cè)壁的缺陷復合。

從上圖中可以看出，對于LED I、II和III而言，量子壘厚度較小的Micro-LED的發(fā)光效率較高，這主要是由于量子壘厚度的適當減薄可以有效降低器件的垂直電阻率，進而抑制電流的橫向擴展，使電流更少地擴展到側(cè)壁缺陷。此外，較薄的量子壘厚度可以降低價帶的勢壘高度，有助于空穴注入到有源區(qū)中，促進輻射復合的過程。此外，技術(shù)團隊的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果也達到了高度的吻合。

為了深入揭示量子壘厚度對電流擴展的影響，技術(shù)團隊計算了在40 A/cm?注入電流密度下具有不同量子壘厚度的Micro-LED在最靠近p-EBL一側(cè)量子阱中的空穴濃度分布，從圖中可以看出隨著量子壘厚度的減薄，空穴更趨向于分布在臺面以內(nèi)。

最后研究了LED I, II和III在邊緣缺陷處非輻射復合和輻射復合的占比情況，研究結(jié)果表明：隨著量子壘厚度的減薄，有源區(qū)中非輻射復合與輻射復合的比值減小，這可以充分說明量子壘厚度的適當減薄可以有效控制電流的橫向擴展，從而有助于抑制側(cè)壁缺陷處的表面復合。
 

為了協(xié)助研究人員理清影響Micro-LED器件工作頻率的諸多敏感參數(shù)，賽米卡爾技術(shù)團隊已開發(fā)出可靠精準的Micro-LED頻率調(diào)制模型?；诖四Ｐ脱芯堪l(fā)現(xiàn)，450 nm Micro-LED器件的截止頻率隨著器件尺寸的減小而逐漸增加，該趨勢也較好地吻合了實驗結(jié)果[涉及技術(shù)保密，不便展示]。Micro-LED頻率特性的研究對Micro-LED在可見光通信領(lǐng)域的應(yīng)用大有裨益，也順應(yīng)了眼下追求高頻器件的必然趨勢，極具重要的理論指導意義，這有利于我國在半導體高頻器件領(lǐng)域的技術(shù)進步，助力我國電子信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。
 

天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團隊、河北工業(yè)大學第三代半導體器件研究組依托Crosslight的半導體器件設(shè)計平臺開發(fā)出Micro-LED光子輸運模型，通過封裝前后Micro-LED遠場分布的對比可以看出：設(shè)置封裝參數(shù)后，倒裝結(jié)構(gòu)Micro-LED出光主要集中于下表面，且光提取得到大幅度提升。合理的設(shè)計器件，能夠有效的避免Micro-LED內(nèi)部的crosstalk效應(yīng)，提高全彩顯示質(zhì)量。

基于APSYS軟件中的先進光學模塊，天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團隊、河北工業(yè)大學第三代半導體器件研究組研究了倒裝藍光Micro-LED器件三維結(jié)構(gòu)各個面的透射光強度分布，圖為不同藍寶石襯底厚度下的倒裝Micro-LED芯片的頂部和底部的出光強度分布。研究發(fā)現(xiàn)去掉藍寶石襯底時的光場分布范圍更小，這也在一定程度上有效減小了crosstalk效應(yīng)。通過對Micro-LED的光子輸運行為的研究，我們可以計算分析出Micro-LED器件的三維出光分布。同時根據(jù)特定的需求可以設(shè)計出不同封裝結(jié)構(gòu)或者表面涂層結(jié)構(gòu)，并計算和觀察各個出光面的光強度分布。此外，通過Micro-LED結(jié)合低維量子點、熒光粉等顏色轉(zhuǎn)換材料，可全面分析影響全彩顯示質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，旨在致力于為全彩顯示技術(shù)的長足發(fā)展提供理論指導。
 

[1]. Jianquan Kou, et al. Impact of the surface recombination on InGaN/GaN-based blue micro-light emitting diodes. Optics Express, 06/2019; 27(12): A643. 文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.27.00A643.

[2]. Le Chang, et al. Alternative Strategy to Reduce Surface Recombination for InGaN/GaN Micro-light-Emitting Diodes—Thinning the Quantum Barriers to Manage the Current Spreading. Nanoscale Research Letters, 文章鏈接：https://doi.org/10.1186/s11671-020-03372-3(見刊中).
 

本篇文章僅代表天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團隊觀點，不代表材料深一度公眾號立場，如有技術(shù)探討，請聯(lián)系該團隊，感謝您的理解。