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小尺寸提高DUV LED效率

2021/8/17 20:46:57      材料来源:化合物半导体

中科大团队展示了更小的芯片尺寸如何提供更高的基于AlGaN 的 DUV LED 光输出功率密度和峰值外部量子效率


深紫外(DUV)光源具有许多有价值的应用,包括杀菌照射、光疗、水/空气/食品杀菌和光通信。但是,尽管对基于AlGaN的DUV LED的研究已取得了令人振奋的进展,但其工业应用仍处于起步阶段。

 

这是因为它们的电光转化效率(WPE)有限,这是由低外部量子效率(EQE)、受限的光提取效率(LEE)和大尺寸芯片中严重的电流集聚效应造成的。

 

值得注意的是,这些LED特性在很大程度上取决于芯片尺寸,这已在可见光LED中得到广泛研究。然而,此类研究尚未在DUV微型LED器件中进行。

 

最近,由孙海定领导的中科大(USTC)的一个团队研究了275nm DUV micro-LED的光学和电气特性的尺寸依赖性,重点研究了直径(D)分别为300、200、100、50和20μm的制造器件。制造器件的示意图如图例所示。1(a)在文章的顶部。

 

直径为20µm的LED的扫描电子显微镜(SEM)图像和五组LED发射模式的光学显微照片(俯视图)如图例1(b)和1(c)所示。已经发现,较小的DUV微型LED提供更高的功率密度,并且由于电流扩散和光提取效率(LEE)的改善,可以在高注入电流密度下实现更高的EQE。

 

图2:(a)直径分别为20、50、100、200、300μm的LED芯片的J-V图和 (b)它们对数坐标的J-V图 (c)不同尺寸DUV LED的功率密度和 (d)它们外部量子效率(EQE)与电流密度的关系


鉴于这些LED尺寸不同,图2(a)中比较了电流密度(J)与正向电压(V)的关系,其中J是使用p电极的面积计算的。与I-V特性不同的是,可以观察到,由于较小LED中电流扩散的均匀性增加,因此在相同偏置下具有较小台面尺寸的LED的J显著高于较大LED的J。有趣的是,直径为20µm的最小LED可以承受非常高的正向电流密度,达到4500A/cm2以上。

 

图2(b)是正向J-V曲线的对数图,从中我们可以观察到,这些器件的漏电流也显示出与尺寸相关的特征。由于较高的表面积与体积比,具有较小台面尺寸的LED的漏电流往往更大,因为台面边缘附近的侧壁缺陷可能充当电流泄漏路径。

 

此外,他们将不同注入电流下的光输出功率与LED p-电极尺寸归一化,并将功率密度作为电流密度的函数绘制在图2(c)中。有意思的是,在相同的电流密度下,具有较小台面面积的LED可以提供更高的功率密度。较小芯片的这种功率密度提高主要是由于电流扩散的均匀性更好。同样值得注意的是,最小的器件(D=20 µm)提供了最高的最大功率密度,高达86W/cm²,比最大器件(D=300µm)的最大功率密度4.14W/cm²高出20多倍。随后,从光输出功率测量中提取了LED的EQE值。

 

如图2(d)所示,在那些大LED(D≥100μm)中,直径较小的LED在低电流密度下显示出较低的EQE值。事实上,100μm LED的侧壁周长与台面面积之比是300μm LED的三倍,因此,可以预期在台面侧壁边缘有更多与缺陷相关的非辐射复合,这可能有助于抑制辐射复合,因为它对侧壁缺陷高度敏感。

 

因此,这些LED(D≥100μm) 的EQE值,在低电流密度下,在那些直径较小的LED中较低,但在较高的电流密度下它们则较高,因为电流扩散的均匀性更好。当谈到小尺寸LED(D<100μm)时,他们发现小尺寸LED总体上比那些较大LED(D≥100μm)具有更高的EQE,这归因于电流扩散的更均匀性以及可能更高的LEE。

 

较小LED芯片的LEE增强归因于AlGaN多层膜中的强波导效应以及LED芯片内发射光子的较短光路中的低功率损耗。此外,当器件直径减小时,更多的光可以从台面侧壁反射,从而进一步增强光提取。此外,他们还观察到,由于在高电流注入下的自热效应,在这些微型LED中出现了强烈的峰值波长红移和半峰宽(FWHM)值的增加。

 

最后,他们提到,在深紫外波段,整个DUV LED领域仍然面临着寻找进一步提升EQE性能的有效方法这一巨大挑战。其micro-LED设计和制造可以提供一种替代方法,通过制造串联或并联小型LED阵列来替代传统的大型单个LED芯片,从而提高DUV LED的EQE。

 

这项工作提供了对DUV micro-LED的电学和光学性能的全面理解,特别是,这些实验观察为设计和制造在DUV范围内发射的具有不同器件几何形状的高效micro-LED提供了见解,可用于未来的各种应用。

 

参考文献

Huabin Yu, Haiding Sun et al., Opt. Lett. 46(13), 3271-3274 (2021)

 

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