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提升 InGaN 基紅光 Micro LED 效率,法國這一團隊有新進展

2021-10-25 10: 59

隨著Micro LED逐步走近大眾視野,跨越瓶頸問題顯得愈加迫切,其中就包括紅光Micro LED的生產和效率問題。



 

InGaN材料潛力大,但效率提升仍受限

多項研究表明,基於磷化物結構的紅光LED,外量子效率等性能會隨著晶片尺寸縮小而降低,尤其是當尺寸微縮至10μm以下時,因長載流子擴散長度及側壁高密度表面缺陷,性能損失會更為嚴重。不過,這一難題在近年來接連取得重要突破。

美國加州大學聖塔芭芭拉分校(UCSB)、阿卜杜拉國王科學技術大學(KAUST)、GaN Micro LED材料開發商Porotech、半導體材料商Soitec、首爾偉傲世、晶能光電等不少全球學者、研究者和技術開發商的研發成果均表明,基於InGaN材料製造的紅光Micro LED擁有更好的性能,在助力實現Micro LED全彩化方面前景可期。

但需要注意的是,現階段紅光Micro LED的效率仍受限,特別是尺寸小於10μm以下的晶片效率還遠遠達不到AR/VR、智慧眼鏡、抬頭顯示器等Micro LED終端顯示設備的要求。上述提及的UCSB、KAUST、晶能光電等當下也在積極透過優化生產步驟、提升材料品質等不同方式來提升外量子效率。

法國團隊開發新型結構,有助於提升紅光晶片效率

最近,由Soitec與格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(Université Grenoble Alpes,UGA)組成的研究團隊在基於隱埋氧化物的InGaN層上採用外延層沉積技術開發InGaN基紅光LED,相比在傳統襯底生長的紅光LED,產生的應力更少。換句話說,透過減少InGaN層的應力,可以提升InGaN基紅光Micro LED的效率。

據介紹,這個結構是透過Soitec專有的Smart Cut製程構成,由於面內晶格參數增高,銦合並能力增強,InGaN量子阱能夠跨越整個可見光光譜范圍。與此同時,InGaN結構還能夠降低器件活動區的內部電場,有利於實現更高的效率。

去年,該法國研究團隊公佈了基於InGaN Smart Cut襯底的紅光Micro LED的研究成果,彼時研發的晶片尺寸範圍為300μm×300μm到50μm×50μm。而最新的研究成果獲得了突破,晶片尺寸縮小至10μm。

在最新研究中,研究者團隊採用兩個變量。一個是銦含量為8%的InGaN種子層,厚度為120奈米;另一個是銦含量為11%的InGaN種子層,厚度同樣是120奈米。兩種都具有曲面台階襯底形狀及V形缺陷,缺陷密度及尺寸會隨著銦含量的增加而提高。例如,銦含量增加使得V形凹面的尺寸從3×107cm-2及100奈米擴大至2×108cm-2及130奈米。

在晶片生產過程中,首先是將襯底裝載在MOCVD反應腔中,再沉積一個包括15週期超晶格的外延堆疊層、一個多量子阱活動區及一個電子阻擋層。


 

上圖展示的是超晶格的細節圖,N型In0.03Ga0.97N/GaN為活動區提供基礎,包含了5層2奈米厚的In0.4Ga0.6N量子阱,由7.5奈米厚的In0.03Ga0.97N阻擋層隔開。其中,15奈米厚的電子阻擋層由Al0.1Ga0.9N製成。用高清透射式電子顯微鏡觀察該異質結構,能夠發現由於局部應力鬆弛,活動區及電子阻擋層中有額外的錯位。

此前,研究團隊採用傳統LED晶片制備製程來生產300μm×300μm至10μm×10μm的LED。而之前制備的器件組合受V形缺陷的限制,即當它們經過整個結構時,就會從陽極到陰極之間產生一個電氣通路。為解決這個問題,用於生產最新一代發射器的製造製程包括增加一層保形層,透過化學機械拋光實現平面化。

同時,光致發光測量表明,襯底中銦含量的提升可推動Micro LED發射峰從635奈米升高至653奈米,波長更長,晶格參數就更高。

光提取效率、工作電壓、晶體品質是關鍵影響因素

從終端應用層面來看,Micro LED要在潛力較大的VR/AR顯示器等應用中採用,尺寸需要縮小至10微米以下,且據UCSB介紹,外量子效率應至少為2%-5%才能滿足Micro LED顯示器的需求。

研究團隊指出,10μm的Micro LED晶片在8A·cm-2條件下,外量子效率最高僅為0.14%,低於UCSB團隊0.2%的研發成果,而這主要是受光提取效率低的影響。

具體而言,法國研究團隊制備的Micro LED晶片,光從背面收集,但與P型接觸的襯底沒有覆蓋所有頂層的結構,也沒有金屬能夠阻止光從側壁流失。同時,由於經過背面的光需穿過超晶格、隱埋氧化物及藍寶石襯底,這一過程也影響了光提取效率。因此,光提取效率的實際數值難以預估,不過根據模擬顯示,光提取效率小於4%。

下一步,研究團隊還需努力提升光提取效率、降低工作電壓以及提高LED的晶體品質,才能改善Micro LED晶片的性能。儘管提升紅光Micro LED晶片效率道阻且長,但相信在研究團隊和技術開發商的共同努力下,終將取得更進一步的勝利。

(文:LEDinside Janice;首圖來源:pixabay

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