由于調(diào)制帶寬較大、響應(yīng)速度快、安全性能高，基于Micro-LED的可見光通信技術(shù)逐漸成為人們關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)。此外，由于材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、功耗低、使用壽命長，因此基于Micro-LED的顯示技術(shù)得到廣泛關(guān)注和研究投入；而為了滿足超高分辨率的顯示需求，LED尺寸需要進(jìn)一步減小，因此可見光通信技術(shù)和新一代顯示技術(shù)都需要制備高發(fā)光效率的Micro-LED。
 

一般而言，芯片尺寸的減小有助于釋放在外延過程中因晶格失配而產(chǎn)生的應(yīng)力來改善發(fā)光效率，而且會使得芯片內(nèi)部電流擴(kuò)展更加均勻，降低芯片內(nèi)部的結(jié)溫，同時(shí)還能在一定程度上提高光提取效率。盡管小尺寸的LED芯片具有諸多優(yōu)勢，但是當(dāng)LED芯片的尺寸減小到50 ?m以下時(shí)，LED芯片的外量子效率會隨著尺寸的減小而急劇下降，這主要是由于芯片在刻蝕的過程中會在側(cè)壁區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，導(dǎo)致載流子在側(cè)壁區(qū)域被與缺陷相關(guān)的SRH復(fù)合所消耗；之前的大量研究工作都是側(cè)重于改進(jìn)側(cè)壁鈍化層的制備工藝技術(shù)，然而在最大程度提高外量子效率之前，充分理解Micro-LED內(nèi)部載流子注入和電子-空穴復(fù)合過程顯得尤為重要，因此，明確有關(guān)側(cè)壁缺陷對載流子注入的影響及所涉及的物理機(jī)制可以有針對性地對Micro-LED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行充分優(yōu)化。
 

依托于Crosslight的半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)平臺，天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)、河北工業(yè)大學(xué)第三代半導(dǎo)體器件研究組針對此問題將從四個(gè)方面入手：其一，揭示Micro-LED中的尺寸效應(yīng)，即隨著器件尺寸減小，外量子效率急劇衰退的根本物理原因；其二，揭示側(cè)壁缺陷對Micro-LED發(fā)光過程的影響，結(jié)合理論計(jì)算，剖析電子陷阱和空穴陷阱對載流子輸運(yùn)的影響，從而提出抑制尺寸效應(yīng)的可行性方案；其三，通過頻率調(diào)制模型揭示Micro-LED器件的截止頻率隨著器件尺寸的減小而逐漸增加，這對可見光通訊的發(fā)展具有重要的理論指導(dǎo)意義；其四，通過Micro-LED光子輸運(yùn)模型揭示了合理器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可有效避免Micro-LED內(nèi)部的crosstalk效應(yīng)，提高全彩顯示質(zhì)量。

為了探究藍(lán)光Micro-LED尺寸效應(yīng)的物理機(jī)制，設(shè)計(jì)了三組不同尺寸的對比研究實(shí)驗(yàn)，分別為20 × 20 ?m?, 60 × 60 ?m? 和100 × 100 ?m?。在此項(xiàng)研究工作中，選用了兩個(gè)不同的物理模型來對藍(lán)光Micro-LED進(jìn)行研究。如圖所示，在模型一中沒有考慮器件由于刻蝕產(chǎn)生的側(cè)壁缺陷，例如：LED Ⅰ、LED Ⅱ和LED Ⅲ，而在模型二中則充分考慮器件在刻蝕過程中產(chǎn)生的側(cè)壁缺陷，并引入表面缺陷復(fù)合模型，例如：LED A、LED B和LED C。

通過LED Ⅰ、LED Ⅱ和LED Ⅲ可以發(fā)現(xiàn)，外量子效率和光輸出功率隨著器件尺寸的減小而增加，這是因?yàn)槠骷叽绲臏p小有利于改善器件內(nèi)部電流擴(kuò)展，從而導(dǎo)致外量子效率和光輸出功率的增加。如果在計(jì)算過程中考慮表面缺陷，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，LED A、LED B 和LED C三個(gè)器件的外量子效率和光輸出功率均低于LED Ⅰ、LED Ⅱ和LED Ⅲ三個(gè)器件的性能，因?yàn)槿毕菹嚓P(guān)的非輻射復(fù)合過程消耗了部分載流子，導(dǎo)致性能下降。然后，進(jìn)一步對比研究LED A、LED B 和LED C可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮器件側(cè)壁缺陷后，外量子效率和光輸出功率隨著器件尺寸的減小而顯著降低。雖然小尺寸器件的電流擴(kuò)展有所改善，但是缺陷相關(guān)的表面復(fù)合發(fā)揮了更加主導(dǎo)的作用，嚴(yán)重制約了器件的發(fā)光性能。此外，為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，本項(xiàng)工作制備了100 ?m和20 ?m Micro-LED器件，通過對比發(fā)現(xiàn)，基于模型二仿真計(jì)算的LED A和LED C外量子效率和插圖中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢極其吻合。通過對仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分分析，可以得出隨著Micro-LED表面與體積比的增加，側(cè)壁缺陷對于器件性能的影響則不容忽視。因此，這也更加說明表面復(fù)合模型對于Micro-LED的仿真計(jì)算是非常重要的。

由于側(cè)壁缺陷位于器件臺面邊緣部分，器件內(nèi)部的橫向載流子分布必然非常重要。圖（a）中觀察的現(xiàn)象與先前文獻(xiàn)的報(bào)道非常一致，即電流擁擠發(fā)生在p電極下方，并且當(dāng)遠(yuǎn)離p電極時(shí)載流子濃度逐漸降低。然而，由于LED C側(cè)壁缺陷的存在，器件臺面邊緣區(qū)域的載流子濃度迅速下降。因此一旦載流子到達(dá)了Micro-LED臺面邊緣區(qū)域，大量載流子則會被側(cè)壁缺陷捕獲，并發(fā)生與缺陷相關(guān)的非輻射復(fù)合。本項(xiàng)研究工作深層次分析了Micro-LED的器件物理，對進(jìn)一步制備基于Micro-LED的高分辨微納顯示設(shè)備和多通道可見光通信系統(tǒng)具有重要的推動作用。
 

針對于Micro-LED側(cè)壁效應(yīng)造成器件性能不佳問題，需要對有源區(qū)的參數(shù)進(jìn)行重新的優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能地減小載流子的擴(kuò)散長度，遠(yuǎn)離器件臺面邊緣區(qū)域。為此，天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)、河北工業(yè)大學(xué)第三代半導(dǎo)體器件研究組依托Crosslight的半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)平臺，提出借助調(diào)控電流擴(kuò)展策略來減少藍(lán)光Micro-LED的側(cè)壁效應(yīng)：通過減薄量子壘厚度，減小了電流的橫向擴(kuò)展，抑制了Micro-LED側(cè)壁的缺陷復(fù)合。

從上圖中可以看出，對于LED I、II和III而言，量子壘厚度較小的Micro-LED的發(fā)光效率較高，這主要是由于量子壘厚度的適當(dāng)減薄可以有效降低器件的垂直電阻率，進(jìn)而抑制電流的橫向擴(kuò)展，使電流更少地?cái)U(kuò)展到側(cè)壁缺陷。此外，較薄的量子壘厚度可以降低價(jià)帶的勢壘高度，有助于空穴注入到有源區(qū)中，促進(jìn)輻射復(fù)合的過程。此外，技術(shù)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果也達(dá)到了高度的吻合。

為了深入揭示量子壘厚度對電流擴(kuò)展的影響，技術(shù)團(tuán)隊(duì)計(jì)算了在40 A/cm?注入電流密度下具有不同量子壘厚度的Micro-LED在最靠近p-EBL一側(cè)量子阱中的空穴濃度分布，從圖中可以看出隨著量子壘厚度的減薄，空穴更趨向于分布在臺面以內(nèi)。

最后研究了LED I, II和III在邊緣缺陷處非輻射復(fù)合和輻射復(fù)合的占比情況，研究結(jié)果表明：隨著量子壘厚度的減薄，有源區(qū)中非輻射復(fù)合與輻射復(fù)合的比值減小，這可以充分說明量子壘厚度的適當(dāng)減薄可以有效控制電流的橫向擴(kuò)展，從而有助于抑制側(cè)壁缺陷處的表面復(fù)合。
 

為了協(xié)助研究人員理清影響Micro-LED器件工作頻率的諸多敏感參數(shù)，賽米卡爾技術(shù)團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出可靠精準(zhǔn)的Micro-LED頻率調(diào)制模型?；诖四Ｐ脱芯堪l(fā)現(xiàn)，450 nm Micro-LED器件的截止頻率隨著器件尺寸的減小而逐漸增加，該趨勢也較好地吻合了實(shí)驗(yàn)結(jié)果[涉及技術(shù)保密，不便展示]。Micro-LED頻率特性的研究對Micro-LED在可見光通信領(lǐng)域的應(yīng)用大有裨益，也順應(yīng)了眼下追求高頻器件的必然趨勢，極具重要的理論指導(dǎo)意義，這有利于我國在半導(dǎo)體高頻器件領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，助力我國電子信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。
 

天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)、河北工業(yè)大學(xué)第三代半導(dǎo)體器件研究組依托Crosslight的半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)平臺開發(fā)出Micro-LED光子輸運(yùn)模型，通過封裝前后Micro-LED遠(yuǎn)場分布的對比可以看出：設(shè)置封裝參數(shù)后，倒裝結(jié)構(gòu)Micro-LED出光主要集中于下表面，且光提取得到大幅度提升。合理的設(shè)計(jì)器件，能夠有效的避免Micro-LED內(nèi)部的crosstalk效應(yīng)，提高全彩顯示質(zhì)量。

基于APSYS軟件中的先進(jìn)光學(xué)模塊，天津賽米卡爾科技有限公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)、河北工業(yè)大學(xué)第三代半導(dǎo)體器件研究組研究了倒裝藍(lán)光Micro-LED器件三維結(jié)構(gòu)各個(gè)面的透射光強(qiáng)度分布，圖為不同藍(lán)寶石襯底厚度下的倒裝Micro-LED芯片的頂部和底部的出光強(qiáng)度分布。研究發(fā)現(xiàn)去掉藍(lán)寶石襯底時(shí)的光場分布范圍更小，這也在一定程度上有效減小了crosstalk效應(yīng)。通過對Micro-LED的光子輸運(yùn)行為的研究，我們可以計(jì)算分析出Micro-LED器件的三維出光分布。同時(shí)根據(jù)特定的需求可以設(shè)計(jì)出不同封裝結(jié)構(gòu)或者表面涂層結(jié)構(gòu)，并計(jì)算和觀察各個(gè)出光面的光強(qiáng)度分布。此外，通過Micro-LED結(jié)合低維量子點(diǎn)、熒光粉等顏色轉(zhuǎn)換材料，可全面分析影響全彩顯示質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，旨在致力于為全彩顯示技術(shù)的長足發(fā)展提供理論指導(dǎo)。
 

[1]. Jianquan Kou, et al. Impact of the surface recombination on InGaN/GaN-based blue micro-light emitting diodes. Optics Express, 06/2019; 27(12): A643. 文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.27.00A643.

[2]. Le Chang, et al. Alternative Strategy to Reduce Surface Recombination for InGaN/GaN Micro-light-Emitting Diodes—Thinning the Quantum Barriers to Manage the Current Spreading. Nanoscale Research Letters, 文章鏈接：https://doi.org/10.1186/s11671-020-03372-3(見刊中).
 

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