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纖鋅礦GaN作為第三代半導(dǎo)體發(fā)光材料,具有合適的帶隙、高的擊穿電壓、優(yōu)良的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及抗輻射能力等特點(diǎn),適合制作耐高溫、抗輻射的大功率發(fā)光半導(dǎo)體器件。隨著理論研究與制造技術(shù)的發(fā)展,發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED)的應(yīng)用領(lǐng)域由最初的照明領(lǐng)域逐步拓展至顯示領(lǐng)域,這就對(duì)LED的性能提出了更高的要求。目前,LED主要朝著小尺寸、高功率、柔性可折疊等方向演化。
01 傳統(tǒng)LED、Mini-LED、Micro-LED
傳統(tǒng)LED、Mini-LED、Micro-LED是依據(jù)尺寸來區(qū)別的。一般來說,傳統(tǒng)LED的橫向尺寸大于200 μm,Mini-LED的橫向尺寸為100~200 μm,Micro-LED的橫向尺寸小于100 μm,尺寸的減小不僅代表功耗的降低,而且還可以帶來超高的分辨率、不可比擬的亮度、更快的響應(yīng)時(shí)間、更長(zhǎng)的使用壽命。顯示器性能見表1。Micro-LED在顯示、通信、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。
表 1主流顯示器與Micro-LED顯示器性能對(duì)比
Micro-LED發(fā)展過程中,始終受到生產(chǎn)良率與尺寸效應(yīng)影響,其光電轉(zhuǎn)化效率較低,而且隨著芯片尺寸的減小其效率也呈斷崖式下降。此外,相比于傳統(tǒng)發(fā)光技術(shù),Micro-LED管芯單元與管芯間距更小,這就要求其具有比較高的亮度。高亮度則需要Micro-LED管芯在大注入電流下工作。增大注入電流,會(huì)引起電流擁擠效應(yīng),其光電轉(zhuǎn)化效率會(huì)進(jìn)一步發(fā)生衰減;并且,這種效應(yīng)會(huì)隨著電流增大而進(jìn)一步加劇。因此,如何提升Micro-LED光電轉(zhuǎn)化效率及亮度成為業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。
02 Micro-LED量子效率
光電轉(zhuǎn)化效率是評(píng)價(jià)LED等電致發(fā)光器件性能的重要參數(shù)。電能輸入到LED,最后以光與熱的形式輸出,光電轉(zhuǎn)化效率較低就意味著電能大多轉(zhuǎn)化為熱能。熱量積聚會(huì)導(dǎo)致管芯溫度的升高,從而直接影響管芯的穩(wěn)定性及壽命。Micro-LED光電轉(zhuǎn)化效率可以用量子效率來表示,主要由內(nèi)量子效率(internal quantum efficiency, IQE)、光提取效率(light extraction efficiency, LEE)、外量子效率(external quantum efficiency, EQE)3個(gè)部分構(gòu)成,見式(1)~式(3)。
式中:ηIQE為內(nèi)量子效率;ηEQE為外量子效率;ηLEE為光提取效率、PINT為有源區(qū)發(fā)出的光功率;P為輻射到環(huán)境的光功率;h為普朗克常量;v為光的頻率;I為注入電流;e為電子電荷。內(nèi)量子效率決定輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)量,但產(chǎn)生的光子并不能全部輻射到外部空間,在發(fā)射過程中,一部分會(huì)被管芯本身吸收,另一部分被折射回管芯內(nèi)部,兩者最終都以熱的形式散失。光提取效率反映發(fā)光結(jié)構(gòu)的合理性。外量子效率是評(píng)價(jià)LED綜合性能的指標(biāo),也是三者中唯一能夠通過試驗(yàn)測(cè)試出來的。但究其根本,內(nèi)量子效率的提升將直接影響管芯的整體性能。
03 內(nèi)量子效率
GaN基LED發(fā)光結(jié)構(gòu)主要由n-GaN、p-GaN、GaN/InGaN量子阱3個(gè)部分組成(見圖1)。電子和空穴在量子阱處發(fā)生復(fù)合,釋放能量。LED中電子和空穴的復(fù)合分為輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合兩種方式。在量子阱內(nèi),電子被1個(gè)位于能帶內(nèi)的游離狀態(tài)的空穴俘獲,并發(fā)生復(fù)合,同時(shí)放出能量為hν的光子,該過程稱為輻射復(fù)合。電子與空穴復(fù)合過程中,若能量以光能以外的形式釋放,則該過程稱為非輻射復(fù)合,非輻射復(fù)合主要有shockley-read-hall(SRH)復(fù)合、俄歇復(fù)合以及深能級(jí)復(fù)合等。
圖 1管芯3種封裝結(jié)構(gòu)模型
Micro-LED 的工作原理本質(zhì)上是pn結(jié)在正向電壓下電致發(fā)光,是由pn結(jié)內(nèi)部注入少數(shù)載流子且在特定能級(jí)發(fā)生輻射復(fù)合,該過程通過電子與空穴在有源區(qū)直接輻射復(fù)合產(chǎn)生光子,所以內(nèi)量子效率直接受輻射復(fù)合的電子?空穴對(duì)的數(shù)量影響。GaN內(nèi)部的極性、內(nèi)應(yīng)變、量子阱材料晶格匹配度等都會(huì)影響電子、空穴的產(chǎn)生與復(fù)合。此外,GaN材料的生長(zhǎng)質(zhì)量對(duì)輻射復(fù)合影響很大。材料中的位錯(cuò)、空位等缺陷處能量較高,能夠作為非輻射復(fù)合中心俘獲電子或空穴,能量以熱能的形式損耗。載流子對(duì)量子效率的影響也不容忽視。量子阱內(nèi)的電子略多于空穴時(shí),輻射復(fù)合率較高;但如果電子過多,則容易泄漏出有源區(qū),并直接在有源區(qū)外發(fā)生非輻射復(fù)合,從而導(dǎo)致輻射效率下降(見圖2)。
圖 2MQW能帶結(jié)構(gòu)及電子空穴復(fù)合機(jī)制圖
電子與空穴復(fù)合時(shí),如果把能量或動(dòng)量通過碰撞轉(zhuǎn)移給其他粒子并產(chǎn)生熱效應(yīng),造成該粒子發(fā)生躍遷,此復(fù)合過程稱為俄歇復(fù)合。此外,如果管芯材料生長(zhǎng)過程中存在大量缺陷,電子與空穴很容易被缺陷俘獲,從而發(fā)生SRH復(fù)合與深能級(jí)復(fù)合。這3種非輻射復(fù)合是導(dǎo)致電致發(fā)光半導(dǎo)體器件內(nèi)量子效率損失的根本原因。目前內(nèi)量子效率很難在試驗(yàn)中測(cè)量,只能依靠經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推導(dǎo)。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可ABC內(nèi)量子效率計(jì)算模型(式4)。2017年Olivier等利用該模型計(jì)算了低溫下GaN基LED內(nèi)量子效率隨尺寸的變化,計(jì)算結(jié)果表明,B與C對(duì)尺寸的依賴性不大,A對(duì)尺寸的依賴性較大。通過檢測(cè)外量子效率的試驗(yàn)方法佐證,發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差別甚微。
式中:n為載流子濃度;A為SRH復(fù)合相關(guān)系數(shù);B為輻射復(fù)合相關(guān)系數(shù);C為俄歇復(fù)合相關(guān)系數(shù)。
計(jì)算理論的深入研究與計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步也為計(jì)算內(nèi)量子效率提供了便捷,特別是有限元思想引入半導(dǎo)體后,使得計(jì)算Micro-LED內(nèi)量子效率簡(jiǎn)單了許多。借助有限元多物理場(chǎng)仿真可以很快地計(jì)算出量子效率,同時(shí)可以創(chuàng)新優(yōu)化所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),預(yù)測(cè)相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果,但是有限元只能計(jì)算特定ABC系數(shù)下的內(nèi)量子效率,無法理解深層次的微觀機(jī)制,特別是GaN內(nèi)部極化及缺陷狀態(tài)、有源區(qū)晶格失配現(xiàn)象等原子微觀結(jié)構(gòu),這就無法將材料本征參數(shù)與計(jì)算系數(shù)聯(lián)系成有機(jī)的整體。
04 光提取效率
Micro-LED有源區(qū)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子從管芯結(jié)構(gòu)逸出到外部空間需要經(jīng)過復(fù)雜的路徑,光子逃逸的每一步都會(huì)因半導(dǎo)體材料、電極、襯底等部件的吸收而損失一部分光子。此外,由于管芯結(jié)構(gòu)中材料的折射率與自由空間的折射率存在較大差異(nGaN=2.47,nair=1.00),根據(jù)菲涅爾損耗效應(yīng)和全反射定律,某些角度范圍內(nèi)的光子在管芯結(jié)構(gòu)和自由空間的分界面處被全反射回半導(dǎo)體內(nèi),這就限制了GaN基Micro-LED光提取效率的提升。
LED出光過程中,無論是射向出光面和側(cè)壁的光子,還是射向襯底及非出光面的光子,不僅會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象,同時(shí)也會(huì)發(fā)生菲涅爾損耗效應(yīng)。如果忽略2次以上的反射,只考慮界面的影響,且假設(shè)所有的光線都是垂直入射,垂直反射時(shí),有如下公式:
式中:Pr為出射光的功率;nGaN為管芯結(jié)構(gòu)中材料的折射率;nair為自由空間的折射率;Pin為入射光的功率。代入式中各項(xiàng)的數(shù)值,得:
以上結(jié)果表明,對(duì)于普通管芯結(jié)構(gòu),即使不存在全反射效應(yīng)以及其他損耗因素,僅菲涅爾損耗效應(yīng)的存在,從LED有源區(qū)產(chǎn)生的光子就有相當(dāng)一部分不能順利逸出到自由空間,直接限制了量子效率的提高。
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