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Rote InGaN-Mikro-LED auf Silizium-Prospektion
15.08.2024 17:32:39 Uhr
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In Korea ansässige Forscher berichten über größenabhängige Eigenschaften von roten Mikro-Leuchtdioden (Mikro-LEDs) aus Indiumgalliumnitrid (InGaN), die auf 4-Zoll-Siliziumsubstraten (Si) hergestellt wurden [Juhyuk Park et al., Optics Express, v32, p24242, 2024].
Das Team vom Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), dem Korea Advanced Nano Fab Center (KANC) und der Chungbuk National University betrachtet seine Arbeit als bahnbrechend und fügt hinzu: „Diese Arbeit ist die erste Untersuchung der größenabhängigen Eigenschaften von roten InGaN/GaN-Mikro-LEDs, die auf Si-Substraten mit Abmessungen unter 100 μm gezüchtet wurden.“
LEDArrays auf Basis dieser Geräte erreichten Auflösungen von bis zu 4232 Pixel pro Zoll (PPI). Die relativ schlechte Leistung der roten LEDs ist ein Hindernis auf dem Weg zu Vollfarbdisplays auf Basis der InGaN-LED-Technologie. Neben den deutlich geringeren Kosten bietet die Verwendung von Siliziumsubstraten auch eine bessere Wärmeleitfähigkeit als die üblichere Epitaxie auf Saphirbasis.
Die epitaktische Struktur für die roten Mikro-LED-Arrays wurde durch metallorganische Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf 4-Zoll-Si(111)-Wafer gezüchtet (Abbildung 1). Der Pufferbereich war 1,3 μm dick, gefolgt von einem 2 μm dicken n-GaN-Kontakt. Das Übergitter bestand aus 10 Paaren von 0,9/5 nm Al0,04Ga0,96N/In0,05Ga0,95N.
Abbildung 1: (a) Epitaktische Struktur einer roten InGaN/GaN-Mikro-LED. (b) Aufnahme eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM). (c) Fertigungsablauf und Fotoeinschub der roten InGaN/GaN-Mikro-LEDs auf einem 4-Zoll-Siliziumwafer.
Der aktive Lichterzeugungsbereich bestand aus einem Mehrfachquantentopf (MQW) mit drei Vertiefungen. Die Vertiefungen bestanden aus 2,4 nm In0,23Al0,05Ga0,72N, die durch 10 nm GaN-Barrieren voneinander getrennt waren. Der MQW wurde mit 12 nm AlGaN abgedeckt, dessen Al-Gehalt in drei Stufen variierte (13 %, 7 %, 42 %). Die Struktur wurde mit 150 nm p-GaN als Kontaktschicht vervollständigt.
Die Forscher verwendeten das Material zur Herstellung der roten Mikro-LED-Arrays. Der erste Schritt war die Abscheidung von 200 nm geglühtem Indiumzinnoxid (ITO) als transparente ohmsche Leiter-p-Elektrode. Die Mesastrukturen für die einzelnen LEDs wurden in einem dreistufigen induktiv gekoppelten plasmareaktiven Ionenätzprozess hergestellt. Die Schritte bestanden aus ITO-Ätzen, Salzsäurebehandlung zum Entfernen von ITO-Rückständen und dem abschließenden Ätzen bis zur n-GaN-Schicht.
Die Metallkontakte mit der gemeinsamen n-Elektrode und dem ITO-p-Kontakt bestanden aus Chrom/Gold (Cr/Au), das nach einer CVD-Passivierung mit 500 nm Siliziumnitrid (SiNx) aufgebracht wurde. Zur Verdrahtung der LEDs in Pixeln wurde ein passives Matrix-Array-Format (PM) verwendet.
Die Forscher weisen darauf hin, dass alle diese Prozesse auf einer 4-Zoll-Wafer-Skala durchgeführt wurden. Das Team kommentiert: „Bei der Halbleiterherstellung lassen sich die Kosten am effektivsten durch die großflächige Fertigung auf Waferebene senken, da so eine größere Anzahl von Geräten in einem einzigen Prozess hergestellt werden kann.“
Die Dunkelstromdichte bei Sperrvorspannung lag bei allen Gerätegrößen von 5 μm bis 100 μm unter 1 μA/cm2.
Bei den LEDs kam es zu einer Blauverschiebung der Wellenlänge, als die Injektionsstromdichte zunahm. Bei Arrays von 12-μm-LEDs verschob sich die Wellenlänge von 648 nm auf 624 nm bei Injektionen zwischen 3 A/cm2 bzw. 30 A/cm2. Die Standard-Rotemission von 642 nm trat bei 5 A/cm2 auf.
Die Halbwertsbreite (FWHM) der LEDs betrug bei geringer Injektion etwa 65 nm und verengte sich bei 30 A/cm2 auf 50 nm. Dies führte dazu, dass ein großer Teil der Emissionen im „orangen“ Bereich (590–625 nm) und nicht im „roten“ Bereich (625–750 nm) lag.
Die Forscher kommentieren: „Die maximale Wellenlängenverschiebung in InGaN-Quantentöpfen wurde dem quantenbeschränkten Stark-Effekt (QCSE) und dem Bandfüllungseffekt zugeschrieben.“
Der QCSE ist das Ergebnis von Verschiebungen der Energieniveaus aufgrund der unterschiedlichen Kombinationen angelegter elektrischer Felder und elektrischer Felder, die aus den dehnungsabhängigen Kontrasten in der Ladungspolarisation der unterschiedlichen In-AlGaN-Legierungen entstehen, aus denen die epitaktische Struktur besteht.
Der Bandfüllungseffekt bezieht sich auf das Auffüllen der Leitungs- und Valenzbänder sowie der lokalisierten Zustände (wie es bei InGaN mit hohem Indiumgehalt üblich ist, das tendenziell eine ungleichmäßigere Indiumkonzentration aufweist) bei höherer Stromeinspeisung – ein Elektron vom oberen Ende des Leitungsbandes muss einen größeren Energieunterschied überwinden, um sich mit einem Loch zu rekombinieren, wodurch ein Photon mit höherer Energie/kürzerer Wellenlänge entsteht.
Die „dominante“ Wellenlänge wurde unter Berücksichtigung der Wahrnehmung eines normalen menschlichen Auges und Reduzierung auf eine einzige Wellenlänge bestimmt. Dabei zeigte sich, dass die LEDs eher orange als rot waren. Die größten 100-μm-LEDs wiesen eine dominante Wellenlänge zwischen 612 nm und 588 nm bei Injektionen zwischen 10 und 130 A/cm2 auf. Der entsprechende dominante Wellenlängenbereich für die 5-μm-Geräte lag bei 610–583 nm.
Abbildung 2: EQE von roten InGaN/GaN MQW-Mikro-LEDs mit unterschiedlichen Gerätegrößen.
Die maximale externe Quanteneffizienz (EQE) reichte von 0,52 % für die 5-μm-LED bis hinunter zu 0,36 % für 100 μm (Abbildung 2). Die Injektionen, bei denen der Peak auftrat, variierten zwischen 3 A/cm2 und 5 A/cm2, jedoch ohne klaren Trend, was darauf hindeutet, dass die Unterschiede auf Prozessvariationen zurückzuführen waren. Im Gegensatz dazu erleidet die konkurrierende rote LED-Technologie auf Basis von III-Phosphid-Materialien eine große Verschiebung des maximalen EQE-Injektionsstroms mit der Größe.
Der höhere EQE für die kleineren InGaN-Geräte wird sowohl auf die Verringerung der Seitenwand-Rekombination im Vergleich zu phosphidbasierten LEDs als auch auf die höhere Lichtextraktionseffizienz (LEE) zurückgeführt.
Die Ladungsträger in InGaN werden eher in lokalisierten Zuständen gefangen, als dass sie zu den Seitenwänden wandern, wo sie strahlungslos rekombinieren. Die kleinen Geräte lassen auch mehr Licht entweichen, anstatt durch Totalreflexionseffekte gefangen zu werden, was den LEE erhöht.
Das Team vergleicht seine Arbeit auch mit aktuellen Berichten der University of California in Santa Barbara (UCSB) und der South China Normal University über rote InGaN-Mikro-LEDs auf Silizium. Die Datenpunkte der USCB und der South China Normal University für den Spitzen-EQE lagen bei 0,021 % bzw. 2,3 %.
Das Team ist der Ansicht, dass das 5-μm-Gerät besonders für Displays geeignet ist: Der Spitzen-EQE liegt bei etwa 3 A/cm2, was einem niedrigen Antriebsstrom von 0,75 μA entspricht, der von herkömmlichen Silizium-CMOS-Gerätetreibern geliefert werden könnte.
Die Forscher schlagen vor, dass weitere Entwicklungen den EQE verbessern könnten, etwa durch das Entfernen des Siliziumsubstrats durch Waferbonden, durch die Optimierung der Gerätestruktur für einen höheren LEE und durch die Optimierung des Puffers, um die durch den hohen Indiumeinbau verursachte Spannung zu verringern.
Das Team demonstrierte auch die Möglichkeit, Bilder durch selektive Verdrahtung auf 5 μm- und 12 μm-LED-Arrays zu erzeugen (Abbildung 3). Die kleineren Geräte erreichten natürlich eine höhere Auflösung.
Abbildung 3: Bilder von verschiedenen Arrays, die mit verschiedenen Injektionen betrieben werden.
Angesichts der Einschränkungen von InGaN-LED-Geräten schlagen die Forscher vor, dass die Pulsweitenmodulation (PWM) anstelle der Pulsamplitudenmodulation (PAM) eine bessere Methode zur Steuerung der LED-Helligkeit sein könnte. Zu den genannten Einschränkungen gehören Effizienz- und Wellenlängenschwankungen bei der Stromeinspeisung, weshalb die Verwendung einer festen Stromeinspeisungsamplitude wünschenswert ist.
Die Forscher stellten bei einer 12-μm-LED mit einer Vorspannung von 3,3 V eine lineare Abhängigkeit der Lichtleuchtdichte zwischen 476 Nits und 4148 Nits (Candela/m2) bei Impulsarbeitszyklen zwischen 10 % und 90 % fest, was einer Stromeinspeisung von 3 A/cm2 entspricht.
Die Forscher kommentieren: „Diese Messungen haben bestätigt, dass es möglich ist, Graustufen mit roter Emission ohne Spitzenverschiebung durch PWM in roten InGaN/GaN-Mikro-LED-Geräten darzustellen.“
Erscheinungstermin: 31. Mai / 30. November 2024
Sprache: Traditionelles Chinesisch / Englisch
Format: PDF
Seite: 160-180