Mikro-LEDs auf Basis von selbsttragendem GaN

Mikro-LEDs auf Basis von selbsttragendem GaN

Chinesische Forscher haben die Vorteile der Verwendung von selbsttragendem (FS) Galliumnitrid (GaN) als Substrat für Miniaturlichtdioden (LED) untersucht [Guobin Wang et al, Optics Express,V32, S. 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, wobei die höheren Kosten für selbsttragbares GaN durch eine höhere Effizienz kompensiert werden können.

Die Forscher sind mit der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, dem Suzhou Institute of Nanotechnology and Nanobionics, dem Jiangsu Third Generation Semiconductor Research Institute,Universität von Nanjing, Soochow University und Suzhou Navi Technology Co., Ltd.Das Forschungsteam glaubt, dass diese Mikro-LED in Displays mit ultrahoher Pixeldichte (PPI) Submikron- oder Nano-LED-Konfigurationen verwendet werden soll.

Die Forscher verglichen die Leistung von Mikro-LEDs, die auf einer selbsttragbaren GaN-Vorlage und einer GaN/Saphir-Vorlage hergestellt wurden (Abbildung 1).

Abbildung 1: a) Mikro-LED-Epitaxialschema; b) Mikro-LED-Epitaxialschicht; c) Mikro-LED-Chip-Struktur; d) Querschnittsbilder aus dem Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM).

Die epitaxiale Struktur der metallorganischen chemischen Dampfdeposition (MOCVD) umfasst eine 100 nm N-Typ-Aluminium-Galliumnitrid (n-AlGaN) -Trägerdiffusions-/Expansionsschicht (CSL), eine 2 μm n-GaN-Kontaktschicht,100 nm niedriges Silanschicht mit unbeabsichtigtem Doping (u-) GaN mit hoher Elektronenmobilität, 20x(2,5 nm/2,5 nm) In0,05Ga0,95/GaN Dehnungsfreisetzungsschicht (SRL), 6x(2,5 nm/10 nm) blaue InGaN/GaN-Multiquantenquelle, 8x(1,5 nm/1,5 nm) p-AlGaN/GaN Elektronenbarriere (EBL),80 nm P-GAN-Hole-Injektionsschicht und 2 nm stark doppierte p+-GaN-Kontaktschicht.

Diese Materialien werden zu LEDs mit einem Durchmesser von 10 μm hergestellt, bei denen Indiumtinoxid (ITO) durchsichtig kontaktiert und Siliziumdioxid (SiO2) an der Seitenwand passiviert wird.

Chips, die auf heteroepitaxialen GaN/Saphir-Vorlagen hergestellt werden, weisen große Leistungsunterschiede auf.Die Intensität und Spitzenwellenlänge variieren stark je nach Position innerhalb des ChipsBei einer Stromdichte von 10 A/cm2 zeigt ein Chip auf dem Saphir eine Wellenlängeverschiebung von 6,8 nm zwischen Zentrum und Kanten.Ein Chip ist nur 76% stärker als der andere..

Bei Chips, die auf selbsttragendem GaN hergestellt werden, wird die Wellenlängenvariation auf 2,6 nm reduziert, und die Intensitätsleistung der beiden verschiedenen Chips ist viel näher.Die Forscher schrieben die Veränderung der Wellenlängen-Einheitlichkeit verschiedenen Belastungszuständen in homogenen und Heterostrukturen zu.: Die Raman-Spektroskopie ergab, daß die Restspannungen 0,023 GPa bzw. 0,535 GPa betrugen.

Die Kathodolumineszenz zeigte, dass die Verwerfungsdichte von heteroepitaxialen Wafern ungefähr 108/cm2 betrug, während die der homogenen epitaxialen Wafern ungefähr 105/cm2 betrug."Die niedrigere Verwerfungsdichte minimiert den Leckweg und verbessert die Lichtwirksamkeit.

Im Vergleich zu heteroepitaxialen Chips wird der gegenwärtige Leckstrom homogener epitaxialer LEDs zwar reduziert, aber auch die Stromantwort unter Vorwärtsverzerrung ist reduziert.Chips auf selbsttragendem GaN haben einen höheren externen Quantenwirkungsgrad (EQE)Bei Saphirschablonen: 14% in einem Fall, gegenüber 10% bei Saphirschablonen.Die interne Quanteneffizienz (IQE) der beiden Chips wurde auf 73 geschätzt.0,2% bzw. 60,8%.

Auf der Grundlage der Simulationsarbeiten entwarfen und implementierten die Forscher eine optimierte epitaxielle Struktur auf selbsttragendem GaN,die die äußere Quantenwirksamkeit und Spannungsleistung des Mikrodisplays bei niedrigeren Einspritzstromdichten verbesserte (Abbildung 2)Insbesondere durch die homogene Epitaxie wird eine dünnere Potentialbarriere und eine scharfe Schnittstelle erreicht.während die gleiche Struktur, die in der Heteroepitaxy erreicht wurde, unter der Transmissions-Elektronenmikroskopie eine verschwommene Umrisse zeigt.

Abbildung 2: Transmissions-Elektronenmikroskopbilder der Multiquantum-Bohrregion: a) ursprüngliche und optimierte Homoepitaxiestrukturen und b) optimierte Strukturen, die in heterogener Epitaxi realisiert wurden.c) Externe Quanteneffizienz eines homogenen epitaxialen Mikro-LED-Chips, d) Strom-Spannungskurve eines homogenen epitaxialen Mikro-LED-Chips.

Die dünnere Barriere simuliert bis zu einem gewissen Grad die V-förmigen Gruben, die sich um die Verwerfung bilden.,Dies ist insbesondere durch die Verringerung der Barriere in der Multi-Quanten-Bohrstruktur um die V-Grube zu verursachen.

Bei einer Einspritzstromdichte von 10 A/cm2 steigt der externe Quantenwirkungsgrad der homogenen epitaxialen LED von 7,9% auf 14,8%.Die Spannung, die für den Antrieb eines 10 μA Stroms erforderlich ist, wird von 2.78V bis 2.55V.