利用侧壁高阻结构调控Micro-LED中电流的横向扩展

现如今，智能手机、平板、电脑等高分辨率显示产品的快速发展，促使整个行业对高性能显示器的需求不断增加。 在过去的几十年里，主流的显示系统都是基于液晶显示（LCD）和有机发光二极管（OLED）这两种技术，这两种显示技术几乎占据了整个智能显示领域。然而，现阶段对于LCD和OLED这两种显示技术仍存在一些不完善的地方，比如，LCD存在颜色转换效率差、色彩饱和度和对比度低等问题；OLED的亮度以及寿命也有待进一步提升。基于Micro-LED的显示技术在亮度、寿命、分辨率和效率等方面具备优异性，因此Micro-LED的相关产品逐渐走进人们的视野。

在此之前，我司技术团队揭示出随着LED的尺寸逐渐减小，台面刻蚀造成的侧壁缺陷会引起严重的Shockley-Read-Hall（SRH）非辐射复合，进而影响GaN基Micro-LED器件的性能（Impact of the surface recombination on InGaN/GaN-based blue micro-light emitting diodes）。为此，我司技术团队选择性地去除GaN基Micro-LED器件外围的p+-GaN层，利用器件台面边缘形成的高阻ITO/p-GaN结来有效地限制载流子在器件中心位置的输运。如图1所示，本团队设计并研究了三种器件尺寸分别为30 × 30 μm2、60 × 60 μm2和100 × 100 μm2的GaN基Micro-LED器件。

图1.（a）参考器件和（b）具有ITO/p-GaN结的新器件结构示意图；（Ⅰ）、（Ⅱ）和（Ⅲ）为不同尺寸的LED器件在8 V的外加偏压下的电致发光图

 

表1. Device A1、A2、B1、B2、C1和C2的器件尺寸和结构

我司技术团队通过建立理论计算模型分析了器件内部存在的物理机理，并通过实验制备进一步验证理论模型设计的合理性及可靠性。研究分析发现，对于尺寸较小的Micro-LED而言，即器件A2和器件B2，这种高阻式ITO/p-GaN结不仅可以有效地抑制空穴输运到器件的侧壁缺陷区域，并且这种横向注入电流的限制作用可以将空穴聚集在p型区的中间区域，从而很大程度地促进空穴的注入；而且也可以有效地抑制侧壁缺陷引起的非辐射复合和由侧壁缺陷引起的漏电流。因此，如图2（a）-（d）所示，具备侧壁高阻ITO/p-GaN结的Micro-LED器件A2和器件B2通过表征测试和理论计算得到的外量子效率（EQE）和光输出功率与参考器件A1和B1相比都有所提高。然而，如图2（e）和（f）所示，由于侧壁高阻ITO/p-GaN结的存在，大尺寸的器件C2中会产生额外的结温从而导致器件的工作温度增加，最终使得器件C2的输出特性比参考器件C1的低。因此，侧壁高阻ITO/p-GaN结的设计方案更适用于散热性能良好的Micro-LED。

图2. 不同器件实验测试和仿真计算的EQE和光功率

该成果最近被应用物理及光学领域权威SCI期刊Optics Express收录，文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.442093.