Rode InGaN micro-LED bij siliciumonderzoek
15-08-2024 17:32:39
Nieuwsbron:
Onderzoekers gevestigd in Korea rapporteren over de grootte-afhankelijke kenmerken van indium gallium nitride (InGaN) rode micro-schaal lichtemitterende diodes (micro-LED's) vervaardigd op 4-inch silicium (Si) substraten [Juhyuk Park et al, Optics Express, v32 , blz. 24242, 2024].
Het team van Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Advanced Nano Fab Center (KANC) en Chungbuk National University beschouwt zijn werk als baanbrekend en voegt eraan toe: “Dit werk is het eerste onderzoek naar de grootte-afhankelijke kenmerken van InGaN/GaN rode micro-LED’s gekweekt op Si-substraten met afmetingen onder de 100 μm.”
LEDarrays op basis van de apparaten bereikten een resolutie van wel 4232 pixels per inch (PPI). Relatief slechte rode LED-prestaties vormen een wegversperring op de route naar kleurenschermen op basis van InGaN LED-technologie. Naast de veel lagere kosten, omvat het voordeel van het gebruik van siliciumsubstraten een betere thermische geleidbaarheid dan de meer gebruikelijke op saffier gebaseerde epitaxie.
De epitaxiale structuur voor de rode micro-LED-arrays werd gegroeid door metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD) op 4-inch Si (111) wafers (Figuur 1). Het buffergebied was 1,3 μm, gevolgd door 2 μm n-GaN-contact. Het superrooster bestond uit 10 paren 0,9/5 nm Al0,04Ga0,96N/In0,05Ga0,95N.
Figuur 1: (a) InGaN/GaN rode micro-LED epitaxiale structuur. (b) Transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) afbeelding. (c) Fabricageprocesstroom en foto-inzet van InGaN / GaN rode micro-LED's op 4-inch siliciumwafel.
Het actieve lichtgenererende gebied bestond uit een meervoudige kwantumput met drie putjes (MQW). De putjes waren 2,4 nm In0,23Al0,05Ga0,72N, gescheiden door GaN-barrières van 10 nm. De MQW werd afgedekt met 12 nm AlGaN, variërend in Al-gehalte in drie stappen (13%, 7%, 42%). De structuur werd voltooid met 150 nm p-GaN als contactlaag.
De onderzoekers gebruikten het materiaal om de rode micro-LED-arrays te vervaardigen. De eerste stap was de afzetting van 200 nm uitgegloeid indiumtinoxide (ITO) als een transparante ohmse geleider p-elektrode. De mesastructuren voor de individuele LED's werden vervaardigd via een driestaps inductief gekoppeld plasma-reactief ionenetsproces. De stappen bestonden uit ITO-etsen, zoutzuurbehandeling om ITO-residuen te verwijderen en het uiteindelijke etsen tot aan de n-GaN-laag.
De metaalcontacten met de gemeenschappelijke n-elektrode en het ITO p-contact bestonden uit chroom/goud (Cr/Au), afgezet na 500 nm siliciumnitride (SiNx) CVD-passivering. Er werd een passief matrix (PM) array-formaat gebruikt om de LED's in pixels met elkaar te verbinden.
De onderzoekers wijzen erop dat al deze processen werden uitgevoerd op de schaal van 4 inch-wafels. Het team merkt op: “Bij de fabricage van halfgeleiders is grootschalige fabricage op waferniveau de meest effectieve manier om de kosten te verlagen, omdat hierdoor de productie van een groter aantal apparaten in één enkel proces mogelijk is.”
De donkere stroomdichtheid onder omgekeerde bias was minder dan 1 μA/cm2 voor alle apparaatgroottes van 5 μm tot 100 μm.
De LED's leden aan een blauwverschuiving in golflengte naarmate de injectiestroomdichtheid toenam. Voor arrays van 12 μm LED's verschoof de golflengte van 648 nm naar 624 nm voor injecties tussen respectievelijk 3A/cm2 en 30A/cm2. Standaard rode 642nm-emissie vond plaats bij 5A/cm2.
De volledige breedte op half maximum (FWHM) voor de LED's was ongeveer 65 nm bij lage injectie, afnemend tot 50 nm bij 30 A/cm2. Hierdoor viel een groot deel van de emissies in het 'oranje' bereik (590–625 nm) in plaats van 'rood' (625–750 nm).
De onderzoekers zeggen: “De piekgolflengteverschuiving in InGaN-kwantumputten werd toegeschreven aan het quantum-confined Stark-effect (QCSE) en het bandvullende effect.”
De QCSE is het resultaat van verschuivingen in de energieniveaus als gevolg van de verschillende combinaties van aangelegd elektrisch veld en elektrische velden die voortkomen uit de spanningsafhankelijke contrasten in de ladingspolarisatie van de verschillende In AlGaN-legeringen waaruit de epitaxiale structuur bestaat.
Het bandvullende effect verwijst naar het opvullen van de geleidings- en valentiebanden en gelokaliseerde toestanden (zoals gebruikelijk is bij InGaN met een hoog indiumgehalte, dat de neiging heeft meer niet-uniforme indiumconcentraties te hebben) bij injectie van hogere stroom – een elektron uit de bovenkant van de geleidingsband moet een groter energieverschil overbruggen om te recombineren met een gat, waardoor een foton met hogere energie en kortere golflengte ontstaat.
De 'dominante' golflengte werd bepaald, waarbij rekening werd gehouden met de waarneming van een normaal menselijk oog en deze werd teruggebracht tot één enkele golflengte. Hieruit bleek dat de LED's meer oranje dan rood waren. De grootste LED's van 100 μm registreerden een dominante golflengte tussen 612 nm en 588 nm voor injecties tussen respectievelijk 10 en 130 A/cm2. Het overeenkomstige dominante golflengtebereik voor de 5 μm-apparaten was 610-583 nm.
Figuur 2: EQE van InGaN/GaN MQW rode micro-LED's met verschillende apparaatgroottes.
De maximale externe kwantumefficiëntie (EQE) varieerde van 0,52% voor de 5 μm LED tot 0,36% voor 100 μm (Figuur 2). De injecties waarbij de piek optrad varieerden tussen 3A/cm2 en 5A/cm2, maar zonder enige duidelijke trend, wat erop wijst dat de verschillen te wijten waren aan procesvariaties. Daarentegen ondervindt de concurrerende rode LED-technologie op basis van III-fosfidematerialen een grote verschuiving in de piek-EQE-injectiestroom naarmate de grootte toeneemt.
De hogere EQE voor de kleinere InGaN-apparaten wordt verklaard als gevolg van zowel de vermindering van zijwandrecombinatie, ten opzichte van op fosfide gebaseerde LED's, als een hogere lichtextractie-efficiëntie (LEE).
Het is waarschijnlijker dat de dragers in InGaN vast komen te zitten in gelokaliseerde toestanden, in plaats van naar de zijwanden te reizen voor niet-stralingsrecombinatie. De kleine apparaten laten ook meer licht ontsnappen in plaats van te worden opgesloten door totale interne reflectie-effecten, waardoor de LEE toeneemt.
Het team vergelijkt hun werk ook met recente rapporten van de Universiteit van Californië in Santa Barbara (UCSB) en de South China Normal University voor rode InGaN-micro-LED's op silicium. De USCB- en Zuid-Chinese datapunten voor piek-EQE waren respectievelijk 0,021% en 2,3%.
Het team beschouwt het 5μm-apparaat als bijzonder geschikt voor beeldschermen: de piek-EQE komt voor rond 3A/cm2, wat overeenkomt met een lage aandrijfstroom van 0,75μA, die zou kunnen worden geleverd door reguliere silicium CMOS-apparaatstuurprogramma's.
De onderzoekers suggereren dat verdere ontwikkelingen de EQE zouden kunnen verbeteren, bijvoorbeeld door het siliciumsubstraat te verwijderen door middel van waferbinding, door de apparaatstructuur te optimaliseren voor hogere LEE, en door de buffer te optimaliseren om de spanning veroorzaakt door de hoge indiumopname te verlichten.
Het team demonstreert ook de mogelijkheid om beelden te produceren door selectieve bedrading op LED-arrays van 5 μm en 12 μm (Figuur 3). De kleinere apparaten behaalden uiteraard een hogere resolutie.
Figuur 3: Afbeeldingen van verschillende arrays die bij verschillende injecties worden aangestuurd.
Gezien de beperkingen van InGaN LED-apparaten suggereren de onderzoekers dat pulsbreedtemodulatie (PWM) in plaats van pulsamplitudemodulatie (PAM) een betere methode zou kunnen zijn om de helderheid van LED's te regelen. De genoemde beperkingen omvatten efficiëntie en golflengtevariaties bij stroominjectie, vandaar de wenselijkheid van het gebruik van een vaste stroominjectieamplitude.
De onderzoekers vonden een lineaire afhankelijkheid van de lichtluminantie tussen 476 nits en 4148 nits (candela/m2) voor pulswerkcycli variërend tussen respectievelijk 10% en 90%, op een 12 μm LED met een spanning van 3,3 V, wat een stroominjectie van 3 A/cm2 oplevert.
De onderzoekers zeggen: “Deze metingen bevestigden dat het mogelijk is om grijstinten weer te geven met rode emissie zonder piekverschuiving met behulp van PWM in InGaN/GaN rode micro-LED-apparaten.”
Uitgave: 31 mei / 30 november 2024
Taal: Traditioneel Chinees / Engels
Formaat: PDF
Pagina: 160-180