Micro-LED op basis van zelfdragend GaN

Micro-LED's op basis van zelfdragend GaN

Chinese onderzoekers hebben de voordelen onderzocht van het gebruik van zelfdragend (FS) galliumnitride (GaN) als substraat voor miniatuur lichtdioden (LED's) [Guobin Wang et al, Optics Express,V32, blz. 31463, 2024. the team has developed an optimized indium gallium nitride (InGaN) multi-quantum well (MQW) structure that performs better at lower injection current densities (about 10A/cm2) and lower drive voltages for advanced microdisplays used in augmented reality (AR) and virtual reality (VR) devices, waarbij de hogere kosten van zelfvoorzienende GaN kunnen worden gecompenseerd door een hogere efficiëntie.

De onderzoekers zijn verbonden aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China, Suzhou Institute of Nanotechnology and Nanobionics, Jiangsu Third Generation Semiconductor Research Institute,Universiteit van Nanjing, Soochow University en Suzhou Navi Technology Co., Ltd.Het onderzoeksteam is van mening dat deze micro-LED wordt gebruikt in schermen met een ultra-hoge pixeldichtheid (PPI) sub-micron of nano-LED-configuraties.

De onderzoekers vergeleken de prestaties van micro-LED's die zijn vervaardigd op een zelfdragend GaN-sjabloon en een GaN/safir-sjabloon (figuur 1).

Figuur 1: a) micro-LED-epitaxiale schema; b) micro-LED-epitaxiale film; c) micro-LED-chipstructuur; d) doorsnedebeelden van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM).

De epitaxiale structuur van metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) omvat een dragerdifusie-/uitbreidingslaag (CSL) van 100 nm N-type aluminiumgalliumnitride (n-AlGaN), een contactlaag van 2 μm n-GaN,100 nm lage silane onopzettelijke doping (u-) GaN laag met hoge elektronenmobiliteit, 20x(2.5nm/2.5nm) In0.05Ga0.95/GaN strain release laag (SRL), 6x(2.5nm/10nm) blauwe InGaN/GaN multi-quantum well, 8x(1.5nm/1.5nm) p-AlGaN/GaN Electron Barrier laag (EBL),80 nm P-gan gat injectie laag en 2 nm zwaar gedopeerde p+-GaN contactlaag.

Deze materialen worden vervaardigd tot LED's met een diameter van 10 μm met een transparant contact met indiumtin-oxide (ITO) en siliciumdioxide (SiO2) zijdelingse passivatie.

Chips die zijn vervaardigd op heteroepitaxiale GaN/saffierplaten vertonen grote prestatieverschillen.de intensiteit en de piekgolflengte variëren sterk afhankelijk van de positie binnen de chipBij een stroomdichtheid van 10 A/cm2 toont een chip op de saffier een golflengteverschuiving van 6,8 nm tussen het midden en de randen.De ene chip is maar 76% sterker dan de andere..

In het geval van chips die zijn vervaardigd op zelfdragende GaN, wordt de golflengte variatie verminderd tot 2,6 nm en is de intensiteitsprestatie van de twee verschillende chips veel dichterbij.De onderzoekers schreven de verandering van de golflengte-eenvormigheid toe aan verschillende spanningstoestanden in homogene en heterostructuren: Raman spectroscopie toonde aan dat de restspanningen respectievelijk 0,023 GPa en 0,535 GPa waren.

De cathodoluminescentie toonde aan dat de dislocatie dichtheid van heteroepitaxiale wafers ongeveer 108/cm2 was, terwijl die van homogene epitaxiale wafers ongeveer 105/cm2 was."De lagere verplaatsingsdichtheid vermindert het lekpad en verbetert de lichtefficiëntie- Ja.

In vergelijking met heteroepitaxiale chips, hoewel de omgekeerde lekstroom van homogene epitaxiale LED's wordt verminderd, wordt de stroomrespons onder voorwaarts bias ook verminderd.chips op zelfonderhoudende GaN hebben een hogere externe kwantum efficiëntie (EQE)Bij een vergelijking van de fotoluminescentieprestaties bij 10 K en 300 K (kamertemperatuur) wordt vastgesteld dat de lichtsterkte van het licht bij 10 K en 300 K (kamertemperatuur) in het geval van de sapphire-plaatjes 14% bedraagt, ten opzichte van 10% bij de saffierplaatjes.De interne kwantum efficiëntie (IQE) van de twee chips werd geschat op 730,2% en 60,8% respectievelijk.

Op basis van het simulatiewerk ontwierpen en implementeerden de onderzoekers een geoptimaliseerde epitaxiale structuur op zelfdragend GaN,die de externe kwantum-efficiëntie en spanningsprestaties van het microdisplay bij lagere injectie-stroomdichten verbeterde (figuur 2)Met name de homogene epitaxie zorgt voor een dunnere potentiële barrière en een scherpe interface.Terwijl dezelfde structuur bereikt in heteroepitaxy toont een meer wazig contour onder transmissie elektronenmicroscopie.

Figuur 2: Transmissie-elektronenmicroscoopbeelden van het multi-quantumputgebied: a) originele en geoptimaliseerde homo-epitaxy-structuren, en b) geoptimaliseerde structuren gerealiseerd in heterogene epitaxy.c) Externe kwantum efficiëntie van homogene epitaxiale micro-LED-chip, d) stroom-spanningscurve van een homogene epitaxiale micro-LED-chip.

De dunnere barrière simuleert tot op zekere hoogte de V-vormige putten die zich rond de dislocatie vormen.,Het is de bedoeling dat de in de V-put gelegen multi-quantum-putstructuur de barrière in de V-put verdunt.

Bij een injectie-stroomdichtheid van 10 A/cm2 neemt de externe kwantumefficiëntie van de homogene epitaxiale LED toe van 7,9% tot 14,8%.De spanning die nodig is om een stroom van 10 μA aan te drijven, wordt verlaagd van 2.78V tot 2.55V.