Röd InGaN-mikro-LED på kiselprospektering

Forskare baserade i Korea rapporterar om storleksberoende egenskaper hos indium-galliumnitrid (InGaN) röda mikroskaliga lysdioder (mikro-LED) tillverkade på 4-tums kisel (Si)-substrat [Juhyuk Park et al, Optics Express, v32, p24242, 2024].

Teamet från Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Advanced Nano Fab Center (KANC) och Chungbuk National University ser sitt arbete som banbrytande och tillägger: ”Detta arbete är den första undersökningen av de storleksberoende egenskaperna hos InGaN/GaN röda mikro-LED-lampor som odlats på Si-substrat med dimensioner under 100 μm.”

LED-lampa Matriser baserade på enheterna nådde upplösningar så höga som 4232 pixlar per tum (PPI). Relativt dålig prestanda för röda LED-lampor är ett hinder på vägen till fullfärgsskärmar baserade på InGaN LED-teknik. Förutom en mycket lägre kostnad inkluderar fördelarna med att använda kiselsubstrat bättre värmeledningsförmåga än den vanligare safirbaserade epitaxi.

Den epitaxiella strukturen för de röda mikro-LED-matriserna odlades genom metallorganisk kemisk ångdeponering (MOCVD) på 4-tums Si (111)-wafers (Figur 1). Buffertregionen var 1,3 μm, följt av 2 μm n-GaN-kontakt. Supergittret bestod av 10 par av 0,9/5 nm Al0,04Ga0,96N/In0,05Ga0,95N.

Figur 1: (a) Epitaxiell struktur av röd InGaN/GaN-mikro-LED. (b) Bild från transmissionselektronmikroskop (TEM). (c) Tillverkningsprocessflöde och fotografiskt infällt bild av röda InGaN-mikro-LED:er på 4-tums kiselskiva.

Det aktiva ljusgenererande området bestod av en multipel kvantbrunn (MQW) med tre brunnar. Brunnarna var 2,4 nm In0,23Al0,05Ga0,72N separerade av 10 nm GaN-barriärer. MQW:n var täckt med 12 nm AlGaN med varierande Al-halt i tre steg (13 %, 7 %, 42 %). Strukturen kompletterades med 150 nm p-GaN som kontaktlager.

Forskarna använde materialet för att tillverka de röda mikro-LED-matriserna. Det första steget var avsättning av 200 nm glödgad indiumtennoxid (ITO) som en transparent ohmsk ledare med p-elektrod. Mesastrukturerna för de enskilda lysdioderna tillverkades genom en trestegsprocess med induktivt kopplad plasmareaktiv jonetsning. Stegen bestod av ITO-etsning, saltsyrabehandling för att avlägsna ITO-rester och den slutliga etsningen ner till n-GaN-skiktet.

Metallkontakterna med den gemensamma n-elektroden och ITO p-kontakten bestod av krom/guld (Cr/Au), avsatt efter 500 nm kiselnitrid (SiNx) CVD-passivering. Ett passivt matrisformat (PM) användes för att koppla ihop lysdioderna i pixlar.

Forskarna påpekar att alla dessa processer utfördes i 4-tums waferskala. Teamet kommenterar: ”Inom halvledartillverkning är det mest effektiva sättet att sänka kostnaderna genom storskalig tillverkning på wafernivå, eftersom det möjliggör produktion av ett större antal enheter i en enda process.”

Mörkerströmstätheten under omvänd förspänning var under 1 μA/cm2 för alla komponentstorlekar från 5 μm till 100 μm.

Lysdioderna drabbades av en blå våglängdsförskjutning när injektionsströmtätheten ökade. För matriser av 12 μm lysdioder skiftade våglängden från 648 nm till 624 nm för injektioner mellan 3 A/cm2 respektive 30 A/cm2. Standardröd 642 nm-emission inträffade vid 5 A/cm2.

Fullbredden vid halva maximum (FWHM) för lysdioderna var runt 65 nm vid låg injektion, och minskade till 50 nm vid 30 A/cm2. Detta placerade en stor del av emissionerna i det "orange" intervallet (590–625 nm) snarare än "rött" (625–750 nm).

Forskarna kommenterar: ”Toppvåglängdsskiftet i InGaN-kvantbrunnar tillskrevs den kvantbegränsade Stark-effekten (QCSE) och bandfyllningseffekten.”

QCSE är resultatet av förändringar i energinivåerna på grund av de olika kombinationerna av applicerat elektriskt fält och elektriska fält som uppstår från de spänningsberoende kontrasterna i laddningspolarisationen av de olika In AlGaN-legeringarna som utgör den epitaxiella strukturen.

Bandfyllningseffekten avser utfyllnaden av lednings- och valensbanden och lokaliserade tillstånd (vilket är vanligt i InGaN med hög indiumhalt, som tenderar att ha mer ojämn indiumkoncentrationer) vid högre ströminjektion - en elektron från toppen av ledningsbandet måste passera en större energiskillnad för att rekombinera med ett hål, vilket skapar en foton med högre energi/kortare våglängd.

Den "dominerande" våglängden, med hänsyn till hur ett normalt mänskligt öga uppfattar den och reducerat till en enda våglängd, bestämdes, vilket visade att lysdioderna var mer orangea än röda. De största lysdioderna på 100 μm uppvisade en dominerande våglängd mellan 612 nm och 588 nm för injektioner mellan 10 respektive 130 A/cm2. Motsvarande dominerande våglängdsområde för 5 μm-anordningarna var 610–583 nm.