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复合衬底有望生产出更好的红色微发光二极管

2021/10/18 17:14:30      材料来源:化合物半导体

通过在掩埋氧化物上使用 InGaN 层减少应变,基于 InGaN 的红色微发光二极管有望产生更高的效率


虽然基于磷化物的结构在制造大多数红色 LED 方面处于领先地位,但它们的性能随着尺寸的减小而直线下降。当缩小到 10 µm 以下时,这些 microLED 需要用于虚拟现实和增强现实显示器的尺寸,长载流子扩散长度和侧壁处的高密度表面缺陷会加剧损耗。

 

开创性的替代方案是格勒诺布尔-阿尔卑斯大学和 SOITEC之间的法国合作伙伴关系。由于在位于掩埋氧化物上的 InGaN 层上沉积外延层,该团队正在开发基于 GaN 的红色发光二极管,其应变远小于在传统衬底上生长的等效物。

 

该基础使用SOITEC专有的智能切割工艺形成,由于面内晶格参数增加导致铟掺入增强,从而使薄 InGaN 量子阱能够跨越整个可见光谱。

 

InGaN 平台的另一个好处是它可以调整器件有源区的内部电场,为提高效率打开大门。

 

去年,法国团队报告了在 InGaN 智能切割基板上制造的红色发光微LED的结果,其器件尺寸从 300 µm x 300 µm 到 50 µm x 50 µm不等。通过改进工艺实现的最新结果适用于尺寸低至 10 µm 的器件。

 

这项最新工作使用了两种变体:一种衬底具有 120 nm 厚的 InGaN 种子层,铟含量为 8%;另一个厚度相同,铟含量为 11%。两者都具有阶梯状弯曲衬底形态和V形缺陷,其密度和尺寸随铟含量的增加而增加。提高铟含量可将 V 型坑的密度和尺寸从 3 x 107 cm-2 和 100 nm 增加到 2 x 108 cm-2 和 130 nm。

 

器件制造首先将衬底加载到MOCVD 反应器并沉积外延层,其中包括 15 周期超晶格、多量子阱有源区和电子阻挡层。上图显示了具有 n 型 In0.03Ga0.97N/GaN 层的超晶格的细节,为有源区提供了基础,包含五个 2 nm 厚的 In0.4Ga0.6N 量子阱,由 7.5 nm 厚的 In0.03Ga0.97N 势垒隔开。 15 nm 厚的电子阻挡层由 Al0.1Ga0.9N 制成。

 

用高分辨率透射电子显微镜仔细观察这种异质结构,发现在有源区和电子阻挡层中存在额外的位错,这归因于局部应变松弛。

 

该团队采用传统的 LED 芯片制造工艺来制造台面尺寸从 300 µm x 300 µm 到 10 µm x 10 µm 的 LED。之前的器件组合受到 V 形缺陷的阻碍——当它们穿过整个结构时,它们会形成一条从阳极到阴极的电气路径。为了解决这个问题,最新一代发射器的制造工艺包括添加一个共形层,并通过化学机械抛光进行平整。

 

光致发光测量表明,衬底中铟含量的增加使 microLED 发射峰从 635 nm 移动到 653 nm。较长的波长是由较高的晶格参数引起的。

 

对于直径为 10 µm 的器件,最大外部量子效率为 0.14%,在 8 A cm-2 下实现。该值低于 UCSB 团队的 0.2%,但由于光提取效率较低而受到限制。对于法国团队生产的器件,光线从背面收集,而 p 形接触垫不能覆盖结构的所有顶部,并且没有任何金属可以阻止光线从侧壁漏出。穿过器件背面的发射也必须穿过超晶格、掩埋氧化物和蓝宝石衬底,这也阻碍了提取。光提取效率的实际值很难估计,但根据模拟,它低于 4%。

 

为了提高性能,必须努力提高提取效率、调整工作电压和改善 LED 的晶体质量。

 

参考资料

A. Dussaigne et al. Appl. Phys. Express 14 092011 (2021)

 

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