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Micro-LED InGaN rossi su prospezione al silicio
2024-08-15
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I ricercatori coreani riferiscono sulle caratteristiche dipendenti dalle dimensioni dei diodi a emissione di luce su microscala (micro-LED) in nitruro di indio e gallio (InGaN) rossi fabbricati 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 e aggiunge: "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".
GUIDATO Le matrici basate sui dispositivi hanno raggiunto una risoluzione fino a 4232 pixel per pollice (PPI). Le prestazioni relativamente scarse dei LED rossi rappresentano un ostacolo alla realizzazione di display a colori basati sulla tecnologia LED InGaN. Oltre al costo notevolmente inferiore, l'utilizzo di substrati in silicio offre il vantaggio di una migliore conduttività termica rispetto alla più comune epitassia basata su zaffiro.
La struttura epitassiale per le matrici di micro-LED rossi è stata sviluppata mediante 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 con n-GaN di 2 μm. Il superreticolo era costituito da 10 coppie di Al0,04Ga0,96N/In0,05Ga0,95N da 0,9/5 nm.
Figura 1: (a) Struttura epitassiale 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 pozzi erano di In0,23Al0,05Ga0,72N da 2,4 nm, separati da barriere di 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 realizzare le matrici di micro-LED rossi. Il primo passaggio è stato la deposizione 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 realizzate tramite un processo di incisione ionica reattiva al plasma accoppiato induttivamente in tre fasi. Le fasi consistevano nell'incisione dell'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 con nitruro di silicio (SiNx) a 500 nm. Per cablare i LED in pixel è stato utilizzato un formato a matrice passiva (PM).
I ricercatori sottolineano che tutti questi processi sono stati eseguiti su wafer da 4 pollici. Il team commenta: "Nella fabbricazione di semiconduttori, il modo più efficace per ridurre 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 unico 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 12 μm, la lunghezza d'onda è passata da 648 nm a 624 nm per iniezioni comprese tra 3 A/cm² e 30 A/cm², rispettivamente. L'emissione standard rossa a 642 nm si è verificata a 5 A/cm².
La larghezza totale a metà massimo (FWHM) dei LED era di circa 65 nm a bassa iniezione, riducendosi a 50 nm a 30 A/cm². Questo ha portato una gran parte delle emissioni nella gamma "arancione" (590-625 nm) anziché in quella "rossa" (625-750 nm).
I ricercatori commentano: "Lo spostamento di lunghezza d'onda massima 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 costituiscono 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 lunghezza d'onda più corta/energia più elevata.
È stata determinata la lunghezza d'onda "dominante", tenendo conto della percezione di un occhio umano normale e riducendola a una singola lunghezza d'onda, dimostrando che i LED erano più arancioni che rossi. I LED più grandi da 100 μm hanno registrato una lunghezza d'onda dominante compresa tra 612 nm e 588 nm per iniezioni comprese tra 10 e 130 A/cm², rispettivamente. Il corrispondente intervallo di lunghezza d'onda dominante per i dispositivi da 5 μm era compreso tra 610 e 583 nm.
Figura 2: EQE di micro-LED rossi MQW InGaN/GaN con diverse dimensioni del dispositivo.
L'efficienza quantica esterna (EQE) di picco variava dallo 0,52% per il LED da 5 μm fino allo 0,36% per quello da 100 μm (Figura 2). Le iniezioni a cui si è verificato il picco variavano tra 3 A/cm² e 5 A/cm², ma senza una tendenza chiara, suggerendo che le differenze fossero dovute a variazioni di processo. Al contrario, la tecnologia concorrente per LED rossi basata su materiali in fosfuro III subisce una notevole variazione 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 rimanere intrappolati in stati localizzati, piuttosto che spostarsi verso le pareti laterali per ricombinazione non radiativa. I dispositivi di piccole dimensioni consentono inoltre a una maggiore quantità di luce di fuoriuscire anziché essere intrappolata dagli effetti di riflessione interna totale, aumentando la LEE.
Il team confronta anche il proprio lavoro con i recenti report dell'Università della California a Santa Barbara (UCSB) e della South China Normal University sui micro-LED rossi InGaN su silicio. I dati USCB e South China per il picco di 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, che corrisponde a una bassa corrente di pilotaggio di 0,75 μA, che potrebbe essere fornita dai driver per dispositivi CMOS al silicio più comuni.
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 tensione indotta dall'elevata incorporazione di indio.
Il team ha inoltre dimostrato la capacità di produrre immagini mediante cablaggio selettivo su array di LED da 5 μm e 12 μm (Figura 3). I dispositivi più piccoli hanno naturalmente raggiunto una risoluzione più elevata.
Figura 3: Immagini di vari array azionati in diverse iniezioni.
Considerati i limiti 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. Tra i limiti menzionati rientrano l'efficienza e le variazioni di lunghezza d'onda con l'iniezione di corrente, da cui l'opportunità 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