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Micro-LED InGaN rosso su prospezione del silicio
2024-08-15 17:32:39
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I ricercatori coreani riferiscono sulle caratteristiche dipendenti dalle dimensioni dei diodi a emissione di luce (micro-LED) in microscala rossa di nitruro di indio e gallio (InGaN) realizzati su substrati di silicio (Si) da 4 pollici [Juhyuk Park et al, Optics Express, v32, p24242, 2024].
Il team del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), del Korea Advanced Nano Fab Center (KANC) e della Chungbuk National University considera il proprio lavoro pionieristico, aggiungendo: "Questo lavoro è la prima indagine sulle caratteristiche dipendenti dalle dimensioni dei micro-LED rossi InGaN/GaN cresciuti su substrati di Si con dimensioni inferiori a 100 μm".
GUIDATOarray basati sui dispositivi hanno raggiunto una risoluzione pari a 4232 pixel per pollice (PPI). Le prestazioni relativamente scarse dei LED rossi rappresentano un ostacolo sulla strada verso display a colori basati sulla tecnologia LED InGaN. Oltre al costo molto più basso, il vantaggio dell'utilizzo di substrati in silicio include una migliore conduttività termica rispetto alla più comune epitassia basata su zaffiro.
La struttura epitassica per gli array di micro-LED rossi è stata sviluppata tramite deposizione chimica da vapore metallo-organica (MOCVD) su wafer di Si (111) da 4 pollici (Figura 1). La regione buffer era di 1,3 μm, seguita da un contatto n-GaN di 2 μm. Il superreticolo era costituito da 10 coppie di 0,9/5 nm Al0,04Ga0,96N/In0,05Ga0,95N.
Figura 1: (a) Struttura epitassica del micro-LED rosso InGaN/GaN. (b) Immagine al microscopio elettronico a trasmissione (TEM). (c) Flusso del processo di fabbricazione e inserto fotografico dei micro-LED rossi InGaN/GaN su wafer di silicio da 4 pollici.
La regione attiva di generazione della luce era costituita da un pozzo quantico multiplo (MQW) a tre pozzetti. I pozzetti erano In0,23Al0,05Ga0,72N da 2,4 nm separati da barriere GaN da 10 nm. Il MQW era ricoperto da AlGaN da 12 nm con contenuto di Al variabile in tre fasi (13%, 7%, 42%). La struttura è stata completata con p-GaN da 150 nm come strato di contatto.
I ricercatori hanno utilizzato il materiale per fabbricare le matrici di micro-LED rossi. Il primo passaggio è stato il deposito di ossido di indio e stagno (ITO) ricotto a 200 nm come elettrodo p conduttore ohmico trasparente. Le strutture mesa per i singoli LED sono state fabbricate tramite un processo di incisione ionica reattiva al plasma accoppiato induttivamente in tre fasi. Le fasi consistevano nell'incisione ITO, nel trattamento con acido cloridrico per rimuovere i residui di ITO e nell'incisione finale fino allo strato di n-GaN.
I contatti metallici con l'elettrodo n comune e il contatto p ITO erano costituiti da cromo/oro (Cr/Au), depositati dopo passivazione CVD al nitruro di silicio (SiNx) da 500 nm. È stato utilizzato un formato di matrice passiva (PM) per cablare insieme i LED in pixel.
I ricercatori sottolineano che tutti questi processi sono stati eseguiti su scala wafer da 4 pollici. Il team commenta: "Nella fabbricazione di semiconduttori, il modo più efficace per abbassare i costi è attraverso la fabbricazione su larga scala a livello di wafer, poiché consente la produzione di un numero maggiore di dispositivi in un singolo processo".
La densità di corrente di buio in condizioni di polarizzazione inversa era inferiore a 1μA/cm2 per tutti i dispositivi di dimensioni comprese tra 5μm e 100μm.
I LED hanno subito uno spostamento verso il blu della lunghezza d'onda all'aumentare della densità di corrente di iniezione. Per array di LED da 12μm, la lunghezza d'onda è passata da 648nm a 624nm per iniezioni tra 3A/cm2 e 30A/cm2, rispettivamente. L'emissione standard rossa a 642nm si è verificata a 5A/cm2.
La larghezza completa a metà massimo (FWHM) per i LED era di circa 65 nm a bassa iniezione, restringendosi a 50 nm a 30 A/cm2. Ciò ha posto una grande fetta delle emissioni nell'intervallo "arancione" (590-625 nm) piuttosto che "rosso" (625-750 nm).
I ricercatori commentano: "Lo spostamento di lunghezza d'onda di picco nei pozzi quantici InGaN è stato attribuito all'effetto Stark confinato quantisticamente (QCSE) e all'effetto di riempimento delle bande".
Il QCSE deriva da spostamenti nei livelli energetici dovuti alle diverse combinazioni di campo elettrico applicato e campi elettrici derivanti dai contrasti dipendenti dalla deformazione nella polarizzazione di carica delle diverse leghe In AlGaN che compongono la struttura epitassica.
L'effetto di riempimento delle bande si riferisce al riempimento delle bande di conduzione e di valenza e degli stati localizzati (come è comune nell'InGaN ad alto contenuto di indio, che tende ad avere concentrazioni di indio più non uniformi) con un'iniezione di corrente più elevata: un elettrone dalla parte superiore della banda di conduzione deve attraversare una differenza di energia maggiore per ricombinarsi con una lacuna, creando un fotone con energia più elevata/lunghezza d'onda più corta.
La lunghezza d'onda "dominante", tenendo conto della percezione di un occhio umano normale e riducendola a una singola lunghezza d'onda, è stata determinata, mostrando che i LED erano più arancioni che rossi. I LED più grandi da 100μm hanno registrato una lunghezza d'onda dominante tra 612nm e 588nm per iniezioni tra 10 e 130A/cm2, rispettivamente. Il corrispondente intervallo di lunghezza d'onda dominante per i dispositivi da 5μm era 610–583nm.
Figura 2: EQE dei micro-LED rossi MQW InGaN/GaN con diverse dimensioni del dispositivo.
L'efficienza quantica esterna di picco (EQE) variava dallo 0,52% per il LED da 5 μm fino allo 0,36% per 100 μm (Figura 2). Le iniezioni in cui si è verificato il picco variavano tra 3 A/cm2 e 5 A/cm2, ma senza una chiara tendenza, il che suggerisce che le differenze erano dovute a variazioni di processo. Al contrario, la tecnologia LED rossa concorrente basata su materiali III-fosfuro subisce un ampio spostamento nella corrente di iniezione EQE di picco con le dimensioni.
L'EQE più elevato per i dispositivi InGaN più piccoli è dovuto sia alla riduzione della ricombinazione della parete laterale, rispetto ai LED basati su fosfuro, sia alla maggiore efficienza di estrazione della luce (LEE).
I portatori in InGaN hanno maggiori probabilità di essere intrappolati in stati localizzati, piuttosto che viaggiare verso le pareti laterali per la ricombinazione non radiativa. I piccoli dispositivi consentono inoltre a più luce di fuoriuscire piuttosto che essere intrappolati dagli effetti di riflessione interna totale, aumentando il LEE.
Il team confronta inoltre il proprio lavoro con i recenti report della University of California di Santa Barbara (UCSB) e della South China Normal University per i micro-LED rossi InGaN su silicio. I punti dati USCB e South China per il picco EQE erano rispettivamente dello 0,021% e del 2,3%.
Il team ritiene che il dispositivo da 5 μm sia particolarmente adatto per i display: il picco EQE si verifica a circa 3 A/cm2, il che corrisponde a una bassa corrente di pilotaggio di 0,75 μA, che potrebbe essere fornita dai driver per dispositivi CMOS al silicio più diffusi.
I ricercatori suggeriscono che ulteriori sviluppi potrebbero migliorare l'EQE, ad esempio rimuovendo il substrato di silicio tramite wafer bonding, ottimizzando la struttura del dispositivo per un LEE più elevato e ottimizzando il buffer per alleviare la sollecitazione indotta dall'elevata incorporazione di indio.
Il team dimostra anche la capacità di produrre immagini tramite cablaggio selettivo su array LED da 5μm e 12μm (Figura 3). I dispositivi più piccoli hanno naturalmente raggiunto una risoluzione più elevata.
Figura 3: Immagini di vari array azionati in diverse iniezioni.
Date le limitazioni dei dispositivi LED InGaN, i ricercatori suggeriscono che la modulazione di larghezza di impulso (PWM), piuttosto che la modulazione di ampiezza di impulso (PAM), potrebbe essere un metodo migliore per controllare la luminosità dei LED. Le suddette limitazioni includono l'efficienza e le variazioni di lunghezza d'onda con l'iniezione di corrente, da qui la desiderabilità di utilizzare un'ampiezza di iniezione di corrente fissa.
I ricercatori hanno scoperto una dipendenza lineare della luminanza della luce tra 476 nit e 4148 nit (candele/m2) per cicli di lavoro a impulsi variabili rispettivamente tra il 10% e il 90% su un LED da 12 μm polarizzato a 3,3 V, che fornisce un'iniezione di corrente di 3 A/cm2.
I ricercatori commentano: "Queste misurazioni hanno confermato che è possibile rappresentare la scala di grigi con emissione rossa senza spostamento del picco utilizzando PWM nei dispositivi micro-LED rossi InGaN/GaN".
Uscita: 31 maggio / 30 novembre 2024
Lingua: cinese tradizionale / inglese
Formato: PDF
Pagina: 160-180