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Prospection de micro-LED rouges InGaN sur silicium
15 août 2024
Source d'information:
Des chercheurs basés en Corée font état des caractéristiques dépendantes de la taille des diodes électroluminescentes (micro-LED) rouges à micro-échelle en nitrure d'indium-gallium (InGaN) fabriquées sur des substrats de silicium (Si) de 4 pouces [Juhyuk Park et al, Optics Express, v32, p24242, 2024].
L'équipe de l'Institut supérieur coréen des sciences et technologies (KAIST), du Centre coréen de fabrication de nanotechnologies avancées (KANC) et de l'Université nationale de Chungbuk considère son travail comme pionnier, ajoutant : « Ce travail est la première étude des caractéristiques dépendantes de la taille des micro-LED rouges InGaN/GaN cultivées sur des substrats Si de dimensions inférieures à 100 μm. »
DIRIGÉ Les matrices basées sur ces dispositifs ont atteint une résolution de 4 232 pixels par pouce (ppp). Les performances relativement faibles des LED rouges constituent un obstacle au développement d'écrans couleur basés sur la technologie LED InGaN. Outre un coût bien inférieur, l'utilisation de substrats en silicium présente l'avantage d'une meilleure conductivité thermique que l'épitaxie sur saphir, plus courante.
La structure épitaxiale des réseaux de micro-LED rouges a été élaborée par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) sur des plaquettes de silicium (111) de 4 pouces (Figure 1). La couche tampon avait une épaisseur de 1,3 µm, suivie d'un contact n-GaN de 2 µm. Le super-réseau était composé de 10 paires de couches de 0,9/5 nm d'Al0,04Ga0,96N/In0,05Ga0,95N.
Figure 1 : (a) Structure épitaxiale d’une micro-LED rouge InGaN/GaN. (b) Image obtenue par microscopie électronique à transmission (MET). (c) Processus de fabrication et photographie (en médaillon) de micro-LED rouges InGaN/GaN sur une plaquette de silicium de 4 pouces.
La région active de génération de lumière était constituée d'un puits quantique multiple (PQM) à trois puits. Ces puits, d'une épaisseur de 2,4 nm, étaient composés d'In0,23Al0,05Ga0,72N et séparés par des barrières de GaN de 10 nm. Le PQM était recouvert d'une couche de 12 nm d'AlGaN dont la teneur en aluminium variait en trois étapes (13 %, 7 % et 42 %). La structure était complétée par une couche de contact de 150 nm de GaN de type p.
Les chercheurs ont utilisé ce matériau pour fabriquer des réseaux de micro-LED rouges. La première étape a consisté en le dépôt d'une couche de 200 nm d'oxyde d'indium-étain (ITO) recuit, servant d'électrode p conductrice ohmique transparente. Les structures mésa des LED individuelles ont été réalisées par un procédé de gravure ionique réactive par plasma à couplage inductif en trois étapes. Ces étapes comprenaient la gravure de l'ITO, un traitement à l'acide chlorhydrique pour éliminer les résidus d'ITO, et la gravure finale jusqu'à la couche n-GaN.
Les contacts métalliques, avec l'électrode n commune et le contact p en ITO, étaient constitués de chrome/or (Cr/Au), déposé après une passivation CVD de 500 nm de nitrure de silicium (SiNx). Un réseau de LED passif (PM) a été utilisé pour les interconnecter en pixels.
Les chercheurs soulignent que tous ces procédés ont été mis en œuvre à l'échelle de plaquettes de 4 pouces. L'équipe commente : « Dans la fabrication de semi-conducteurs, la méthode la plus efficace pour réduire les coûts consiste à produire à grande échelle, au niveau de la plaquette, un plus grand nombre de dispositifs en une seule opération. »
La densité de courant d'obscurité sous polarisation inverse était inférieure à 1 μA/cm2 pour toutes les tailles de dispositifs de 5 μm à 100 μm.
Les LED ont subi un décalage vers le bleu de leur longueur d'onde lorsque la densité de courant d'injection augmentait. Pour des réseaux de LED de 12 μm, la longueur d'onde est passée de 648 nm à 624 nm pour des injections comprises entre 3 A/cm² et 30 A/cm², respectivement. L'émission rouge standard à 642 nm a été observée à 5 A/cm².
La largeur à mi-hauteur (FWHM) des LED était d'environ 65 nm à faible injection, se réduisant à 50 nm à 30 A/cm2. Cela plaçait une grande partie des émissions dans la gamme « orange » (590–625 nm) plutôt que « rouge » (625–750 nm).
Les chercheurs commentent : « Le décalage de longueur d'onde maximal dans les puits quantiques InGaN a été attribué à l'effet Stark quantique confiné (QCSE) et à l'effet de remplissage de bande. »
L'effet Stark quantique confiné (QCSE) résulte de décalages dans les niveaux d'énergie dus aux différentes combinaisons de champ électrique appliqué et de champs électriques résultant des contrastes dépendant de la contrainte dans la polarisation de charge des différents alliages In AlGaN constituant la structure épitaxiale.
L'effet de remplissage de bande fait référence au remplissage des bandes de conduction et de valence et des états localisés (comme c'est souvent le cas dans l'InGaN à haute teneur en indium, qui a tendance à présenter des concentrations d'indium plus non uniformes) lors d'une injection de courant plus élevée — un électron du haut de la bande de conduction doit franchir une plus grande différence d'énergie pour se recombiner avec un trou, créant ainsi un photon de plus haute énergie/longueur d'onde plus courte.
La longueur d'onde dominante, déterminée en tenant compte de la perception de l'œil humain et ramenée à une longueur d'onde unique, a montré que les LED émettaient une lumière plus orangée que rouge. Les LED de 100 μm les plus grandes ont enregistré une longueur d'onde dominante comprise entre 612 nm et 588 nm pour des intensités d'injection de 10 à 130 A/cm², respectivement. La plage de longueurs d'onde dominante correspondante pour les dispositifs de 5 μm était de 610 à 583 nm.
Figure 2 : EQE des micro-LED rouges InGaN/GaN MQW avec différentes tailles de dispositifs.
L'efficacité quantique externe (EQE) maximale variait de 0,52 % pour la LED de 5 μm à 0,36 % pour celle de 100 μm (figure 2). Les courants d'injection correspondant à ce pic se situaient entre 3 A/cm² et 5 A/cm², sans tendance claire, ce qui suggère que ces différences étaient dues à des variations de procédé. En revanche, la technologie concurrente de LED rouges à base de phosphures III présente un décalage important du courant d'injection correspondant à l'EQE maximale en fonction de la taille.
L'EQE plus élevée pour les dispositifs InGaN plus petits s'explique à la fois par la réduction de la recombinaison des parois latérales, par rapport aux LED à base de phosphure, et par une efficacité d'extraction de lumière (LEE) plus élevée.
Dans l'InGaN, les porteurs de charge sont plus susceptibles d'être piégés dans des états localisés plutôt que de migrer vers les parois latérales pour une recombinaison non radiative. La petite taille des dispositifs permet également à une plus grande quantité de lumière de s'échapper au lieu d'être piégée par réflexion totale interne, ce qui améliore l'efficacité d'extraction de la lumière (LEE).
L'équipe compare également ses résultats avec des études récentes menées par l'Université de Californie à Santa Barbara (UCSB) et l'Université normale de Chine du Sud sur des micro-LED rouges InGaN sur silicium. Les valeurs de rendement quantique externe (EQE) maximales obtenues par l'UCSB et l'Université normale de Chine du Sud étaient respectivement de 0,021 % et 2,3 %.
L'équipe considère que le dispositif de 5 μm est particulièrement adapté aux écrans : l'EQE maximale se situe autour de 3 A/cm2, ce qui correspond à un faible courant de commande de 0,75 μA, qui pourrait être fourni par les pilotes de dispositifs CMOS en silicium classiques.
Les chercheurs suggèrent que des développements supplémentaires pourraient améliorer l'EQE, notamment en supprimant le substrat de silicium par collage de plaquettes, en optimisant la structure du dispositif pour une LEE plus élevée et en optimisant la couche tampon pour atténuer les contraintes induites par une forte incorporation d'indium.
L'équipe a également démontré sa capacité à produire des images par câblage sélectif sur des matrices de LED de 5 μm et 12 μm (figure 3). Les dispositifs les plus petits ont naturellement permis d'obtenir une résolution plus élevée.
Figure 3 : Images de différents réseaux pilotés à différentes injections.
Compte tenu des limitations des LED InGaN, les chercheurs suggèrent que la modulation de largeur d'impulsion (MLI), plutôt que la modulation d'amplitude d'impulsion (MAI), serait une meilleure méthode pour contrôler la luminosité des LED. Ces limitations incluent des variations d'efficacité et de longueur d'onde en fonction du courant injecté, d'où l'intérêt d'utiliser une amplitude d'injection de courant fixe.
Les chercheurs ont trouvé une dépendance linéaire de la luminance lumineuse entre 476 nits et 4148 nits (candela/m2) pour des cycles de service d'impulsion variant respectivement entre 10 % et 90 %, sur une LED de 12 μm polarisée à 3,3 V, donnant une injection de courant de 3 A/cm2.
Les chercheurs commentent : « Ces mesures ont confirmé qu'il est possible de représenter des niveaux de gris avec une émission rouge sans décalage de pic en utilisant la modulation de largeur d'impulsion (PWM) dans les dispositifs micro-LED rouges InGaN/GaN. »
Sortie : 31 mai / 30 novembre 2024
Langue : chinois traditionnel / anglais
Format : PDF
Pages : 160-180