Optimaliseren van InGaN micro-LED structuren voor verbeterde kwantumefficiëntie bij lage stroomdichtheden

Samenvatting

Hier rapporteren we een uitgebreide numerieke studie voor het werkgedrag en fysieke mechanisme van nitriet micro-licht-emitterende-diodes (micro-LEDs) bij lage stroomdichtheid. Analyse voor het polarisatie-effect toont aan dat micro-LED een erger quantum-beperkte Stark-effect (QCSE) lijdt bij lage stroomdichtheid, wat uitdagingen poseren voor het verbeteren van efficiëntie en het realiseren van stabiele full-color emissie. Ladingsdragertransport en matching worden geanalyseerd om de beste werkcondities te bepalen en de structuurontwerp van micro-LED bij lage stroomdichtheid te optimaliseren. Het wordt getoond dat minder quantum well (QW) aantal in de actieve regio de ladingsdrager-matching en radiatieve recombinatiesnelheid verbetert, leidend tot hogere kwantumefficiëntie en uitgangsvermogen. Effectiviteit van de elektronenblokkerlaag (EBL) voor micro-LED wordt besproken. Door de EBL te verwijderen, blijken de elektroneninperking en gatinjectie tegelijkertijd verbeterd, dus de emissie van micro-LED wordt aanzienlijk verbeterd bij lage stroomdichtheid. De recombinatieprocessen met betrekking tot Auger en Shockley–Read–Hall (SRH) worden onderzocht, en de gevoeligheid voor defecten wordt benadrukt voor micro-LED bij lage stroomdichtheid.

Synopsis: De polarisatie-geïnduceerde QCSE, het ladingsdragertransport en matching, en recombinatieprocessen van InGaN micro-LEDs die werken bij lage stroomdichtheid worden numeriek onderzocht. Op basis van het begrip van deze devicegedragingen en mechanismen, worden specifiek ontworpen epitaxiale structuren inclusief twee QWs, hoog gedopeerd of zonder EBL en p-GaN met hoge gatconcentratie voorgesteld voor de efficiënte micro-LED-emissieve display. De gevoeligheid voor defectdichtheid wordt ook benadrukt voor micro-LED.

Inleiding

Groep-III nitriet-gebaseerde zichtbare licht-emitterende diodes (LEDs) hebben een wijd bereik aan toepassingen inclusief signalen, optische communicatie, informatieopslag, achtergrondverlichting, displays, en algemene verlichting (of solid-state verlichting) [1, 2]. Sinds de eerste demonstratie van InGaN micro-schijf LED met een diameter van 12 µm door Jiang en zijn medewerkers in 2000 [3, 4], heeft de micro-LED uitgaande academische en industriële belangen ontvangen in de velden van hoge-resolutie displays, zichtbare-lichtcommunicatie, biomedische toepassingen, en sensing [5,6,7,8]. In vergelijking met vloeistof-kristal display (LCD) en organische licht-emitterende diode (OLED), heeft micro-LED voordelen van kleine grootte, hoge resolutie, hoge lumineuze efficiëntie, hoge helderheid, hoge kleurverzadiging, lange werkliftijd, hoge responsnelheid, en robuustheid, wat het de meest veelbelovende kandidaat maakt voor de volgende generatie display-technologie [9, 10]. Toepassingsscenario's van micro-LED-display omvatten high-end televisies (TV), laptops, handheld en mobiele terminalapparaten, virtuele realiteit (VR), uitgebreide realiteit (AR), transparante display, enz. Volgens de schatting van Yole, zal de markt van micro-LED-display 330 miljoen eenheden bereiken tegen 2025 [11].

Traditionele toepassingen van groep-III nitriet LEDs, met name solid-state verlichting, vereisen dat het optische uitgangsvermogen zo hoog mogelijk is [12]. In de afgelopen drie decennia, gemotiveerd door hoge-vermogen toepassingen, is het moderne onderzoek voor nitriet LEDs, inclusief het ontwerp en optimalisatie van de epitaxiale structuur, de studie van het werkgedrag en fysieke mechanisme van het device, en de verbetering van fabricagetechnologie, voornamelijk gericht op de grote chip, hoge werkstroomdichtheid, en hoge in-/uitgangsvermogen [12, 13]. Voorop, heeft de actieve regio van nitriet LED zich ontwikkeld van de eenvoudigste heterostructuur en enkele quantum well (QW) in het beginstadium naar de huidige multiple quantum wells (MQWs) met 5 perioden QWs, en het QW-aantal kan zelfs 8 of 10 bereiken voor verschillende gecommercialiseerde hoge-vermogen devices [14,15,16,17]. De EBL werd voorgesteld om de lekkage van elektronen bij hoge injectiestroomdichtheid te blokkeren, zelfs kan het ook de gatinjectie op een zeker niveau belemmeren [18, 19]. Voor conventionele hoge-vermogen LEDs is het meest substantiële kwestie de reductie van de externe kwantumefficiëntie (EQE) met de verhoogde stroomdichtheid, wat bekend is als efficiëntiedaling. Het intrinsieke mechanisme van dit gedrag is gerelateerd aan de indirecte Auger-recombinatie bij hoge geïnjecteerde ladingsdragerdichtheid [20]. Wat betreft de fabricage, zijn dun-film flip-chip en verticale injectiegeometrie ontwikkeld om het vermogenniveau van nitriet LEDs uit te breiden [21, 22].

Aanzienlijke vooruitgang is geboekt voor traditionele grote-hoge-vermogen nitriet LEDs, en enkele van de geleerde lessen kunnen benut worden voor de studie van micro-LEDs. Echter, micro-LEDs zijn nog steeds ver verschillend van hun hoge-vermogen tegenhangers. De verschillende werkgedragingen, mechanismen, en condities van micro-LED kunnen resulteren in verschillende uitdagingen en onderzoekswegen [23, 24]. Voor traditionele LEDs bevindt de piek EQE zich bij hoge stroomdichtheid, en de werkstroomdichtheid is hoog en boven de piekefficiëntie (> 30 A cm⁻²). Maar voor de micro-LED-emissieve display, moet de werkstroomdichtheid veel lager zijn en vaak in het bereik van 0,02 tot 2 A cm⁻² [24]. Bij deze lage stroomdichtheid is de EQE van traditionele nitriet LED heel laag en onvoldoende voor praktische micro-LED-displaytoepassingen. Door de voordelen van V-put te benutten om dislocaties af te schermen en gatinjectie te verbeteren, hebben Zhang en zijn medewerkers efficiënte InGaN-gebaseerde LEDs gecreëerd met piekefficiëntie tot 24,0% bij 0,8 A/cm². Echter, de LED-chips gerapporteerd door Zhang et al. is nog steeds beperkt tot traditionele grootte (1 mm × 1 mm), wat veel groter is dan die van micro-LED [25]. Bovendien hebben veel werken gerapporteerd dat de interne kwantumefficiëntie (IQE) en EQE van micro-LEDs afnemen naarmate de chipgrootte verkleint [26,27,28]. Deze grootte-afhankelijke degradatie wordt voornamelijk toegeschreven aan de oppervlakte-recombinatie en de zijwandschade geïnduceerd door plasma-geassisteerd droog-etsen. Deze zijwand-effecten dragen bij aan de Shockley–Read–Hall (SRH) niet-radiatieve recombinatie, verlagen dan de kwantumefficiëntie, en worden veel ernstiger met een kleinere chipgrootte vanwege het grotere specifieke oppervlak/zijwand-oppervlak in vergelijking met de actieve regio van het device [29,30,31]. Om dit probleem aan te pakken, werden zijwandpassivatie met dielectrische materialen en nat-etsen met gebufferde hydrofluoriumzuur of foto-electrochemische methode voorgesteld om deze effecten tot een zekere mate te minimaliseren voor de micro-LED [31,32,33]. Echter, zelfs verbeterd door de zijwandpassivatie, is de piek EQE van micro-LEDs (met een grootte kleiner dan 60 µm) nog steeds lager dan 25%, en daalt dramatisch tot enkele procenten bij een stroomdichtheid lager dan 2 A cm⁻² [34, 35]. Vooral voor de InGaN-gebaseerde rode micro-LED, is de momenteel gerapporteerde EQE behoorlijk beperkt tot lager dan 1%, door de sterke polarisatie en slechte kristalkwaliteit [0,2%) voor mini-displays. Appl Phys Express 14:011004" href="/articles/10.1186/s11671-021-03557-4#ref-CR36" id="ref-link-section-d295113462e757">36]. Bovendien, met de chipgrootte verminderd, verplaatst de positie van piek EQE ook naar een hogere stroomdichtheid, wat de hoge efficiëntie bij lage stroomdichtheid verder belemmert [26].

Daarom wordt het verbeteren van kwantumefficiëntie bij lage stroomdichtheid de grote uitdaging en kritische wetenschappelijke kwestie voor de micro-LED-emissieve displaytoepassing. Voor dit doel moet de piekefficiëntie verhoogd worden, en de beginpositie van efficiëntie moet verschoven worden naar een geschikte lagere stroomdichtheid. Eerder werken richtten zich voornamelijk op de verbetering van fabricagetechnologie zoals zijwandpassivatie. Om de efficiëntie te verbeteren, is het onderzoeken van de werkgedragingen en fysieke mechanismen van micro-LED bij lage stroomdichtheid, wat nog steeds relatief onontgonnen is en gebrek aan begrip vertoont, ook essentieel. Daarnaast, om een device te creëren dat de efficiëntie bij lage stroomdichtheid kan verbeteren met een maximumwaarde, moet de epitaxiale structuur van micro-LED ook herontworpen en geoptimaliseerd worden, wat behoorlijk verschillend moet zijn van hun traditionele grote-hoge-in-/uitgang tegenhangers. Voor nu blijft de specifiek ontworpen epitaxiale structuur voor de micro-LED-emissieve display die werkt bij lage stroomdichtheid ontbreken.

In dit werk worden de unieke uitdagingen van micro-LED voor de displaytoepassing die werkt bij lage stroomdichtheid benadrukt, en potentiële oplossingen om ze aan te pakken voorgesteld. Met behulp van de software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37], onderzoeken we numeriek de werkgedragingen en fysieke mechanismen van InGaN micro-LEDs bij verschillende stroomdichtheden van 200 tot 0,1 A/cm². Het banddiagram, golf-functie, en polarisatieveld worden gesimuleerd en geanalyseerd voor de QCSE van micro-LED, en een erger QCSE bij lage stroomdichtheid wordt bevestigd. Invloeden van QW-aantal, p-type dotingconcentratie en AlGaN EBL op het ladingsdragertransport, ladingsdrager-matching, radiatieve recombinatie en kwantumefficiëntie van micro-LED worden systematisch onderzocht. Het effect en mechanisme met betrekking tot SRH en Auger-recombinatie worden ook besproken. Op basis van de simulatie en analyse, wordt een geoptimaliseerde epitaxiale structuur specifiek ontworpen voor micro-LED die werkt bij lage stroomdichtheid voorgesteld.

Devicestructuren en simulatiemethoden

In deze studie wordt de gemeenschappelijke structuur van blauwe InGaN micro-LED met een rechthoekige chipgrootte van 60 × 60 µm en een piekemissiegolflengte rond 465 nm gebruikt voor de simulatie. Figuur 1 toont dat de blauwe micro-LED samengesteld is uit 200 nm n-GaN-laag, MQWs actieve regio, 20 nm p-Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N EBL en 150 nm p-GaN-laag. De MQWs actieve regio bestaat uit 8, 5, 3, 2 of 1 periodes met 2,5-nm-dikke In₀.₂₅Ga₀.₇₅N QW ingebed in 10-nm-dikke In₀.₀₅Ga₀.₉₅N quantum barrière (QB). De In-samenstelling van MQWs wordt aangepast en geoptimaliseerd om de gewenste blauwe emissiegolflengte te bereiken. De dotingconcentratie van n-GaN, p-AlGaN EBL, en p-GaN zijn respectievelijk 2 × 10¹⁸ cm⁻³, 3 × 10¹⁸ cm⁻³, en 1 × 10¹⁹ cm⁻³.

De optische en elektrische eigenschappen van micro-LEDs worden numeriek onderzocht met behulp van de software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37]. In de simulatie wordt 50% van de interface-ladingdensiteiten veroorzaakt door spontane en piezo-elektrische polarisatie verondersteld [38]. Behalve voor specifiek genoemde, worden de SRH-levensduur en Auger-recombinatiecoëfficiënt ingesteld als 100 ns en 1 × 10⁻³¹ cm⁶s⁻¹, respectievelijk [39, 40]. De bandoffsetverhouding wordt verondersteld 0,7/0,3 [41], de licht-uitwinnings-efficiëntie is vastgezet op 70%, en de werktemperatuur is 300 K. Andere materiaalparameters gebruikt in de simulatie kunnen gevonden worden in Ref [42].

Resultaten en discussies

De Wall-plug efficiëntie (WPE) van LED kan als volgt uitgedrukt worden: [vergelijking]. Waarin P_out het optische uitgangsvermogen aanduidt, I_op de werkstroom, V de aangeslagen spanning, ℏω de fotonenergie, en η_elect de elektrische efficiëntie. EQE η_EQE is een product van stroom-injectie-efficiëntie (CIE) η_CIE, IQE η_IQE en licht-uitwinnings-efficiëntie (LEE) η_LEE, zoals beschreven door de volgende vergelijking: [vergelijking]. Verder, volgens het ABC-model [43], kan η_IQE als volgt uitgedrukt worden: [vergelijking]. Waarin R_rad de radiatieve recombinatiesnelheid is, R_SRH de SRH niet-radiatieve recombinatiesnelheid, en R_Auger de Auger-recombinatiesnelheid. Figuur 1 toont de verschillende soorten efficiëntie en de gerelateerde fysieke mechanismen en factoren.

R_rad en CIE moeten gemaximaliseerd worden, elektrische efficiëntie en LEE moeten verbeterd worden, en SRH en Auger-recombinatie moeten verminderd worden om de algehele efficiëntie van micro-LED bij lage stroomdichtheid te verbeteren. Systeemniveau-benaderingen zijn vereist om al deze uitdagingen aan te pakken. Behalve licht-uitwinning, zullen deze uitdagingen in de volgende secties besproken worden, en potentiële oplossingen voor het creëren van efficiënte epitaxiale structuur van micro-LED zullen ook voorgesteld worden.

QCSE bij lage stroomdichtheid: interne polarisatieveld

Polarisatie-geïnduceerde QCSE is een van de dominante factoren die de IQE van nitriet LED beperken [44]. QCSE is wijd bestudeerd voor de traditionele grote-hoge-vermogen LED, maar ontbreekt nog steeds voldoende discussie in de context van micro-LED-specifieke toepassingen. Daarom wordt dit belangrijke effect eerst onderzocht. De actieve regio van micro-LED die hier besproken wordt, is opgebouwd door 5 perioden QWs, wat het meest gebruikte QW-aantal is voor traditionele nitriet LED.

Figuur 2a toont de energiebandsdiagrammen en de gerelateerde eerste-niveau elektronen- en gat-golffuncties van de vijfde QW bij 200 en 0,1 A/cm². QB en QW ervaren een grote bandbuiging, leidend tot de ruimtelijke scheiding van elektronen- en gat-golffuncties. Bovendien is de bandbuiging sterker bij lage stroomdichtheid, wat een sterkere QCSE aangeeft. Dit fenomeen wordt toegeschreven aan het zwakke afschermingseffect met minder niet-evenwichts ladingsdragers bij lage injectiestroomdichtheid (zie Aanvullend bestand 1: Fig. S1a-d, en gerelateerde discussie) [41]. Figuur 2b toont dat een erger QCSE de ruimtelijke scheiding van ladingsdrager-golffuncties bij lage stroomdichtheid versterkt, wat leidt tot een lagere radiatieve recombinatiesnelheid. De radiatieve recombinatiesnelheden en EL-spectra zonder en met polarisatie-effect, d.w.z. zonder en met QCSE, worden verder berekend om te tonen hoe de elektronen-gat scheiding kwantitatief de emissie vermindert bij lage stroomdichtheid. Figuur 2c, d toont dat de integrale intensiteit van radiatieve recombinatiesnelheid en EL-intensiteit ongeveer 84,0% en 72,3% verminderd worden door QCSE, respectievelijk. Deze resultaten geven aan dat het moeilijker is om de efficiëntie voor micro-LED te verbeteren dan hun traditionele hoge-vermogen tegenhangers vanwege de versterkte QCSE bij lage stroomdichtheid.

Bovendien is de accurate en stabiele controle van emissiegolflengte bij verschillende injectiestroomdichtheden kritisch voor micro-LED-display, omdat het verschillende belangrijke parameters bepaalt, zoals helderheid, kleuraccuratesse, en verzadiging. Echter, een erger QCSE bij lage stroomdichtheid maakt dit een grote uitdaging, met name voor groene en rode micro-LEDs die een hogere Indium-samenstelling vereisen. Als direct gevolg van de verhoogde bandbuiging in InGaN QWs met een hogere Indium-samenstelling en een sterkere QCSE, wordt de golflengteverschuiving versus stroomdichtheid duidelijker door het afschermingseffect. De EL-spectra van InGaN-gebaseerde rode, groene, en blauwe micro-LED met verschillende stroomdichtheden worden verder berekend om te tonen hoe de spectraverschuiving de kleurpunten in de display beïnvloedt. Aanvullend bestand 1: Figuur S2 toont dat van 0,1 tot 20 A/cm², de piekgolflengten blauw verschuiven met ongeveer 15,8, 6,6, en 1,7 nm voor rode, groene, en blauwe micro-LED, respectievelijk. De kleurpunten gecreëerd door het combineren van de rode, groene, en blauwe micro-LEDs worden ook berekend, zoals samengevat in Aanvullend bestand 1: Tabel S1. Figuur 2e illustreert het corresponderende 1931-CIE (x, y) chromaticiteitsdiagram. Duidelijk verandert de kleur van de emissie van RGB micro-LEDs aanzienlijk van groen naar blauw-groen wanneer de stroomdichtheid toeneemt. De 1931-CIE x-waarde kruist van 0,1676 naar 0,2084, en de 1931-CIE y-waarde kruist van 0,3891 naar 0,3106. Deze substantiële verandering van kleurpunt versus stroomdichtheid verslechtert de prestaties van micro-LED-display aanzienlijk.

Veel rapporten hebben verschillende benaderingen voorgesteld om de QCSE te onderdrukken, zoals het gebruik van InGaN/AlGaN ultra-dunne superlattice-barrières [45], InGaN/GaN/AlGaN/GaN MQWs met GaN-interlaag-barrière [46], gerimpelde MQWs [47], en het invoegen van een spanning-ontlastingslaag voor MQWs [48]. Maar QCSE wordt geïnduceerd door de intrinsieke eigenschappen van c-vlak nitrietmateriaal. Verschillende aanpassingen van MQWs zijn niet voldoende om dit effect volledig te onderdrukken. Onlangs is een fatsoenlijke efficiëntie bereikt voor niet-polair nitriet LED. Als de kosten van niet-polair GaN-substraat verlaagd kunnen worden, kan niet-polair LED een ideale oplossing zijn voor het verminderen van QCSE en het realiseren van stabiele full-color emissie [49].

Ladingsdragertransport en matching

De elektronen (J_n) en gat (J_p) stroomdichtheid kunnen als volgt uitgedrukt worden: [vergelijkingen]. Waarin σ_n en σ_p de geleidbaarheid aanduiden, n en p de concentratie, µ_n en µ_p de mobiliteit voor de elektronen en gaten, respectievelijk, en E het elektrisch veld. In nitriet is de gatconcentratie een orde van grootte lager dan de elektronen [50], en de gatmobiliteit is twee ordes van grootte lager dan elektronen [51]. Deze asymmetrie van concentratie en mobiliteit leidt tot de mismatching van ladingsdragerflux (J_n > J_p) en verslechtert de prestaties van LED in de volgende twee manieren.

Stroom-injectie-efficiëntie: Stroom-injectie-efficiëntie η_CIE vertegenwoordigt de verhouding van de recombinatiestroom J_recomb tot de totale stroom J_total, zoals volgende vergelijking [52]: [vergelijking]. J_recomb hangt af van de kleinere van de ladingsdragerstromen, d.w.z. gatstroom. Vergelijking (6) bevestigt dat de ladingsdrager-mismatching (J_n > J_p) de maximaliserung van CIE beperkt.

Radiatieve recombinatiesnelheid: De radiatieve recombinatiesnelheid R_rad wordt beschreven door Fermi's gouden regel als de volgende vergelijking: [vergelijking]. Waarin C een constante is, E_cv de overgangsenergie, h de Planck-constante, ν_cv de frequentie van het gegenereerde licht, ρ_r de gereduceerde dichtheid van toestanden, f_c en f_v de Fermi-Dirac-verdelingen, en |M_T|² de impulsmatrixelement [53]. Minder gaten en additionele elektronenaccumutatie in de QW kunnen leiden tot de expansie van het kristalrooster en de opbouw van trekspanning. Onder deze spanningsvariatie worden de ladingdensiteiten van kwantumniveaus rond het valentiebandmaximum verminderd. Dit vermindert verder de optische overgangskans en verlaagt R_rad volgens Verg. (7). Op deze manier beperkt de lokale ladingsdrager-mismatching in een enkele QW ook de IQE. Meer specifieke discussie over dit onderwerp kan gevonden worden in eerdere rapporten [54,55,56].

In de volgende secties zullen de invloeden van QW-aantal, p-type dotingconcentratie, en EBL-structuur op het ladingsdragertransport geanalyseerd worden om de beste ladingsdrager-matching condities te bepalen. Ten slotte wordt een geoptimaliseerde epitaxiale structuur voor de efficiënte micro-LED-display die werkt bij lage stroomdichtheid voorgesteld.

Ladingsdrager-mismatching in 5QWs

Eerst worden de ladingsdragertransport-eigenschappen van blauwe micro-LED met 5QWs gesimuleerd. De distributies van ladingsdragerconcentratie bij 200 A/cm² en 0,1 A/cm² geïllustreerd in Aanvullend bestand 1: Fig. S3a en b, respectievelijk. De inhomogene distributie in 5 QWs kan waargenomen worden zowel bij hoge als lage stroomdichtheden. Aanvullend bestand 1: Figuur S3c en d toont dat de elektronenmobiliteit in MQWs (684 cm²V⁻¹s⁻¹) twee ordes van grootte hoger is dan de gatmobiliteit (10 cm²V⁻¹s⁻¹). Daarom kunnen elektronen net injecteren, dan door MQWs passeren zonder deel te nemen aan de recombinatie, leidend tot het elektronenlekprobleem en een lage CIE [51].

Figuur 3a toont de distributie van elektronen- en gatstroomdichtheid bij 200 A/cm². Totale gatstroomdichtheid (217,4 A/cm²) is slechts 65,2% van de elektronen (333,3 A/cm²), wat een severe mismatching van ladingsdragers en een lage CIE aangeeft. De lekkage elektronenstroom is zo hoog als 116,0 A/cm², wat zowel de radiatieve efficiëntie als de gatinjectie verslechtert. Zoals getoond in Fig. 3b, is de lekkage elektronenstroom slechts 0,01 A/cm², en de berekende η_CIE is zo hoog als 95% bij 0,1 A/cm². Deze resultaten geven aan dat het bereiken van een hoge CIE makkelijker is bij lage stroomdichtheid. Echter, behalve de 5de QW waar J_p gelijk kan zijn aan J_n, is de ladingsdrager-mismatching en additionele elektronenaccumutatie vrij ernstig in de andere vier QWs (QW 1, 2, 3 en 4) zowel bij hoge als lage stroomdichtheid. Bij 200 A/cm², zijn de elektronenstroomdichtheden van deze vier QWs 120, 43, 16 en 5 keer hoger dan de gatstroomdichtheid (Fig. 3a). Bij 0,1 A/cm², zijn ze 23, 9, 4, en 2 keer hoger dan de gatstroom (Fig. 3b). Op basis van Verg. (7) vermindert deze grote ladingsdrager-mismatching de radiatieve recombinatiesnelheid van deze vier QWs duidelijk. Daarom zijn de radiatieve recombinatiesnelheden in deze vier QWs slechts ongeveer 3,4%, 4,0%, 10,1%, en 34,2% bij 200 A/cm², en 11,3%, 10,1%, 10,7% en 21,2% bij 0,1 A/cm² vergeleken met de 5de QW. Deze ladingsdrager-mismatching en lage radiatieve emissie verminderen uiteindelijk de monolithische efficiëntie van micro-LED.

Factoren die ladingsdragertransport en matching beïnvloeden

QW-aantal: Voor traditionele grote-hoge-vermogen LED die werkt bij hoge stroomdichtheid, moeten MQWs met 5, zelfs 8 of 10 perioden gebruikt worden om een hoog optisch uitgangsvermogen te bereiken. Echter, voor de micro-LED-emissieve display, is het uitgangsvermogen veel kleiner en de werkstroomdichtheid veel lager. Zoals besproken in de vorige sectie, zelfs bij lage stroomdichtheid, blijft de ladingsdrager-mismatching vrij ernstig in 5QWs, en slechts één QW kan de beste matchingconditie bereiken. Van dit perspectief, voor de micro-LED die werkt bij lage stroomdichtheid, zou de actieve regio met minder QW-aantal een beter ontwerp moeten zijn voor het verbeteren van de efficiëntie door de verbeterde ladingsdrager-matching.

Het effect van het QW-aantal op de micro-LED wordt onderzocht om onze veronderstelling te verifiëren. Figuur 4a–f toont de ladingsdragerstroomdichtheid en radiatieve recombinatiesnelheid bij 0,1 A/cm² van LEDs met 3QWs, 2QWs, en 1QW, respectievelijk. De stroomcurven hebben slechts één snijpunt (één punt van beste ladingsdrager-matching, J_n = J_p) vanwege de monotoner afnemende tendens van stroom, maar met minder QWs, als in de gevallen van 3QWs en 2QWs, kunnen twee snijpunten bereikt worden in twee verschillende QWs (Fig. 4a, b). Met andere woorden, de ladingsdrager-mismatching in MQWs kan deels overwonnen worden met minder QWs. Vooral voor de 2QWs, met passende aanpassing, kan de perfecte matching van ladingsdragerflux in alle twee QWs bereikt worden. De radiatieve recombinatiesnelheid is ook hoger in de 2QWs dan 3QWs en 5QWs omdat de ladingsdragerverbruik door de radiatieve recombinatie meer geconcentreerd is in de actieve regio met minder QWs (Figs. 3d, 4d, e). Ongetwijfeld is de beste ladingsdrager-matching in de LED met slechts één QW, en de radiatieve recombinatiesnelheid is ook hoogst voor de 1QW, zoals getoond in Fig. 4c, f.

Figuur 5a, b toont IQE als functie van de stroomdichtheid tussen 0 tot 200 A/cm² en 0 tot 10 A/cm², respectievelijk. Voor een stroomdichtheid hoger dan 50 A/cm², daalt IQE wanneer het QW-aantal verminderd wordt. In tegenstelling, IQE met een stroomdichtheid lager dan ongeveer 30 A/cm² stijgt wanneer QW-aantal afneemt. Bij 0,1 A/cm², zijn IQE-waarden voor 8, 5, 3, 2, en 1 QWs 55%, 62%, 69%, 77%, en 78%, respectievelijk. Bovendien, zoals getoond in Fig. 5b, verplaatst de positie van piek IQE ook van 6,0 A/cm² in 8 QWs naar de laagste stroomdichtheid van ongeveer 1,2 A/cm² in 2QWs. De IQE-curven bij lage stroomdichtheid (< 1 A/cm²) worden ook steiler en scherper met een lager QW-aantal, wat aangeeft dat het bereiken van de hoogste efficiëntie makkelijker en sneller is. Dit is heel gunstig voor het verbeteren van de efficiëntie bij lage stroomdichtheid. Het fysieke mechanisme achter deze tendens van IQE kan verklaard worden door de betere matching van ladingsdragerflux, en meer geconcentreerde, sterkere radiatieve emissie in de actieve regio met minder QW-aantal. Zoals getoond in Fig. 5c, in vergelijking met 8 QWs, zijn de integrale EL-intensiteiten van 5, 3, 2, en 1 QWs bij 0,1 A/cm² verhoogd met ongeveer 6,1%, 14,8%, 28,4%, en 32,1%, respectievelijk. Dit resultaat bevestigt dat niet alleen de efficiëntie maar ook het uitgangsvermogen verbeterd wordt met minder QW-aantal.

De simulateresultaten tonen aan dat 1QW de hoogste EL-intensiteit heeft en misschien de beste structuur is voor micro-LED die werkt bij lage stroomdichtheid. Echter, experimenteel is het moeilijk om net één QW te epitaxieel groeien wat een vlak oppervlak en scherpe interface heeft. Bovendien, voor de 1QW-structuur, verplaatst de positie van piek IQE licht naar 2,9 A/cm², en de vorm van IQE-curve ook licht gewijzigd. Dit kan verklaard worden door de speciale omstandigheid van de enkele QW. In vergelijking met andere QWs, heeft de QW aangrenzend aan de EBL een speciale polarisatie-omgeving en wordt beschouwd als een "probleem QW". Dit onderwerp zal met meer details besproken worden in de sectie van AlGaN EBL. Overwegende deze redenen, zou de 2QWs de beste actieve regio-ontwerp moeten zijn, wat de vergelijkbare goede matching van ladingsdragerflux, dichtbij IQE-waarde, en EL-intensiteit tot 1QW heeft. Daarom zijn in de volgende secties alle simulaties gebaseerd op de micro-LED met 2QWs.

P-GaN dotingconcentratie: De prestaties van 2QWs LEDs met verschillende p-type dotingconcentraties in p-GaN worden verder onderzocht. Zoals getoond in Fig. 6a, wanneer de dotingconcentratie van p-GaN toeneemt van 1 × 10¹⁸ cm⁻³ tot 5 × 10¹⁹ cm⁻³, stijgen de radiatieve recombinatiesnelheden bij 0,1 A/cm² verder met ongeveer 3,1% en 3,0% voor de twee QWs. Figuur 6b toont dat de totale gatstroomdichtheid toeneemt van 0,157 tot 0,162 A/cm², tegelijkertijd wordt de lekkage elektronenstroomdichtheid verminderd van 0,009 tot 0,005 A/cm² met de toename van dotingconcentratie. Het is de moeite waard om op te merken dat de recombinatiestroom in de QW nabij n-zijde hoger is dan de QW nabij p-zijde (Fig. 6b). Daarom is de radiatieve recombinatiesnelheid nabij de n-zijde QW ook licht hoger dan die nabij de p-zijde QW. Zoals getoond in Fig. 6c, kan men vinden dat de energiebarrière voor ladingsdragers in EBL, gedefinieerd als de energieafstand tussen de elektronen/gat quasi-Fermi-niveau en de hoogste geleidingsband of laagste valentieband, bijna onveranderd blijft onder verschillende dotingconcentratie van p-GaN, dat wil zeggen, de gatinjectie wordt niet verbeterd door de dotingconcentratie te verhogen. Figuur 6d toont de gemiddelde gatconcentratie in de p-GaN en QWs. De gatconcentratie in de p-GaN is bijna exponentieel afhankelijk van de dotingconcentratie. Binnen de QWs, wordt de gatconcentratie ongeveer verdubbeld van 1,59 × 10¹⁹ cm⁻³ tot 3,08 × 10¹⁹ cm⁻³ met een hogere dotingconcentratie. Deze resultaten geven aan dat de verhoogde gatconcentratie de hoofd bijdrage is voor de verbetering van radiatieve recombinatie. Daarom, zelfs bij lage stroomdichtheid, blijft het p-type dotingprobleem van nitriet opvallend, en het verbeteren van de dotingefficiëntie en gatconcentratie is nog steeds gunstig voor de efficiëntie van micro-LED.

AlGaN EBL: In de afgelopen decennia is een 10–20 nm p-type AlGaN EBL een standaardstructuur geworden voor traditionele nitriet-gebaseerde LEDs. Deze EBL wordt beschouwd om de elektronenlekkerstroom te blokkeren en de efficiëntiedaling onder hoge geïnjecteerde stroomdichtheid te onderdrukken. Ondanks dit, is het de moeite waard om op te merken dat de EBL nog steeds een heel ingewikkelde, subtiele structuur is voor de LED. Het omvat veel belangrijke factoren, inclusief Al-samenstelling, p-type dotingefficiëntie van AlGaN, bandoffsetverhoudingen, en polarisatie-effect. Elke van hen kan de bandstructuur en ladingsdragertransport aanzienlijk beïnvloeden, dan de effectiviteit van EBL bepalen. Voor de constructie van EBL, moeten dikte, samenstelling, en dotingconcentratie overwogen en geoptimaliseerd worden om de verbetering van elektroneninperking en het blokkeren van gatinjectie te balanceren, anders kan het tegenovergestelde gebeuren, en de prestaties van LED kunnen verslechteren. Voor micro-LED moet de effectiviteit van EBL voor het werken bij lage stroomdichtheid heroverwogen worden, wat verschillend kan zijn met het geval van traditionele hoge in-/uitgang LED.

a. Dotingsconcentratie van EBL: Eerst wordt het effect van EBL-dotingsconcentratie op ladingsdragertransport bij lage stroomdichtheid onderzocht. De dikte en Al-samenstelling van EBL zijn vastgezet als 20 nm en 0,15, respectievelijk. Rekening houdend met de lage oplosbaarheid van Mg-dopant in AlGaN, de kristal-degradatie, en compensatie-effect door over-doting [50], wordt de dotingconcentratie van EBL eerst ingesteld als 3 × 10¹⁸ cm⁻³. Figuur 7a toont de corresponderende energiebandsstructuur. Duidelijk, ondanks het bestaan van EBL, kan de elektronenlekkerstroom uit de QW nog veroorzaakt worden door onvoldoende elektroneninperking door de neerwaartse buiging van de laatste QW en EBL. Een nieuwe energiedal onder het elektronen quasi-Fermi-niveau verschijnt aan de interface van laatste QB en EBL. Dus zouden elektronen uit QW ontsnappen en accumuleren in dit gebied. Deze vervorming van bandstructuur maakt de EBL relatief ineffectief, en het kan bijgedragen worden aan het polarisatie-effect. Zoals getoond in Fig. 7c, induceert de sterke polarisatie een grote hoeveelheid ladingen aan de interfaces. Vanwege de ongebalanceerde polarisatieladingen zijn positief aan de interface van de laatste QB/EBL, bouwt een groot electrostatisch veld op dat wijst van de p-zijde naar de n-zijde in de laatste QB, wat tegenovergesteld is aan de velden in andere QBs en EBL. Deze electrostatische velden trekken het energieband van de laatste QB en EBL naar beneden. Bovendien kunnen de elektrischen velden in de laatste QW en laatste QB beide elektronen aantrekken en hen uit de actieve regio naar de p-laag drijven. Dit kan waargenomen worden in het ladingsdragerconcentratiediagram, zoals getoond in Fig. 7d. De stippen zwarte lijn geeft aan dat een deel van de elektronen ontsnapt uit de actieve regio en accumuleert aan de interface van laatste QB/EBL. In de EBL en p-GaN blijft de lekkage elektronen relatief hoog.

Aan de andere kant, introduceert de EBL ook een potentiaalbarrière van zo hoog als 480 meV voor gatinjectie. Bovendien, zoals getoond in Fig. 7a, c, verschijnt een energiedal dicht bij het gat quasi-Fermi-niveau aan de interface-regio tussen de EBL/p-GaN door het polarisatie-effect. Zoals aangegeven door de solide zwarte lijn van Fig. 7d, worden de meeste gaten geblokkeerd door de EBL en dus accumuleren ze aan het energiedal van de EBL/p-GaN-interface. Vanwege deze inefficiënte ladingsdragertransport, wordt de laatste QW beschouwd als een "probleem QW", en de EBL heeft slechts een lage capaciteit voor elektroneninperking, en zou verantwoordelijk moeten zijn voor de slechte gatinjectie. In vergelijking met de traditionele hoge in-/uitgang LED, zou deze polarisatie-geïnduceerde oneffectiviteit van de EBL-functie met name ernstig kunnen zijn voor de micro-LED vanwege het versterkte polarisatie-effect door minder ladingsdrager-afscherming bij lage stroomdichtheid.

Band-ingenieurswerk door de dotingconcentratie van EBL te verhogen is een mogelijke methode om de elektroneninperking en gatinjectie te verbeteren. De activeringsenergie van Mg-dopant in AlGaN EBL is hoger dan GaN, daarom, zelfs onder een vergelijkbare dotingconcentratie, blijft de actieve gatconcentratie in EBL veel lager dan p-GaN. De lagere gatconcentratie kan het gat quasi-Fermi-niveau en valentieband verder scheiden, dan de barrièrehoogte verhogen. Op basis van deze analyse, moet de dotingconcentratie van EBL veel hoger zijn dan p-GaN. Rekening houdend met de dotingsbeperking in het daadwerkelijke experiment, wordt 6 × 10¹⁹ cm⁻³ geselecteerd als een nieuwe dotingconcentratie in de EBL. Zoals getoond in Fig. 7b, door de dotingconcentratie te verhogen, wordt de valentieband van EBL getild door de uitlijning van het gat quasi-Fermi-niveau, resulterend in een verminderde gatenergiebarrière van 281 meV. Bovendien helpt de hoge p-type doting ook het elektronen quasi-Fermi-niveau te verlagen ten opzichte van de geleidingsband in EBL, dus de effectieve barrière voor elektronenlekkerstroom te verhogen tot 1175 meV. Deze veranderingen verbeteren de elektroneninperking en gatinjectie. Figuur 7d toont dat in vergelijking met de dotingconcentratie van 3 × 10¹⁸ cm⁻³, de gatconcentratie in de actieve regio aanzienlijk toeneemt, en de lekkage elektronen in de EBL en p-GaN wordt gereduceerd tot bijna nul. Echter, het energiedal aan de interface tussen de EBL/p-GaN blijft bestaan. Bovendien introduceert de opwaartse beweging van de valentieband ook een nieuw energiedal voor de gataccumulatie aan de interface tussen de laatste QB/EBL, wat bevestigd kan worden door de gatconcentratiedistributie in Fig. 7d. Deze energiedalen kunnen de gatinjectie in QWs belemmeren, dus het voordeel van hoge dotingconcentratie compenserend.

b. Al-samenstelling van EBL: In vergelijking met de verhoging van dotingconcentratie, kan het verlagen van de samenstelling van AlGaN EBL een makkelijkere, meer efficiënte methode zijn om het ladingsdragertransport bij lage stroomdichtheid te verbeteren. De effectiviteit van EBL is gevoelig afhankelijk van Al-samenstelling, bandoffset, en polarisatie-effect. Het verhogen van de Al-samenstelling van EBL kan de bandoffset tussen de laatste QB/EBL vergroten, wat de elektronenbarrièrehoogte verhoogt. Echter, zoals getoond in Fig. 8a, nemen de polarisatie-geïnduceerde ladingen aan de interfaces ook dienovereenkomstig toe, wat de elektronenbarrièrehoogte naar beneden trekt. Twee mechanismen hebben het tegengestelde effect voor het inperken van elektronen.

Op basis van deze analyse, worden de ladingsdragertransport van 2QWs micro-LEDs met verschillende EBL-structuren bij 200 en 0,1 A/cm² onderzocht. Het resultaat van effectieve energiebarrièrehoogtes van verschillende EBL worden samengevat in Tabel 1. Ten eerste, zijn zowel de elektronen- als gatenergiebarrières bij lage stroomdichtheid veel hoger dan de gevallen bij hoge stroomdichtheid door de lagere niet-evenwichts ladingsdragerpopulatie. Een hogere energiebarrière kan de elektroneninperking verbeteren, maar ook de gatinjectie ernstig belemmeren bij lage stroomdichtheid. Dit geeft aan dat de invloed van EBL op het ladingsdragertransport van micro-LED die werkt bij lage stroomdichtheid veel hoger is dan die van de traditionele hoge in-/uitgang LED. Tabel 1 toont ook dat met een relatief lage Al-samenstelling in EBL, de elektronenbarrière daalt met Al-samenstelling verhoogd, wat aangeeft dat de neerwaartse buiging van geleidingsband geïnduceerd door polarisatie-effect groter is dan de verhoogde bandoffset geïntroduceerd door de hogere Al-samenstelling. Door de samenstelling verder te verhogen, stijgt de elektronenbarrière samen met de samenstelling, wat betekent dat de bandoffset dominant wordt over het polarisatie-effect. In vergelijking met hoge stroomdichtheid, is dit keerpunt van samenstelling hoger bij lage stroomdichtheid door het versterkte polarisatie-effect door minder ladingsdrager-afscherming. Aan de andere kant, vanwege de oorspronkelijke bandoffset tussen de laatste QB/p-GaN en de bandbuiging, bestaan er energiebarrières voor elektronen en gaten aan de interface zelfs zonder de EBL. Bij 200 A/cm², wanneer de samenstelling lager is dan 0,20, is de elektronenenergiebarrière lager dan het geval zonder EBL, maar de gatbarrière is hoger ongeveer 64 meV. Bij 0,1 A/cm², zelfs met samenstelling hoger dan 0,20, is de elektronenbarrière van AlGaN EBL (523 meV) nog steeds 151 meV lager dan het geval zonder EBL (674 meV), maar de gatbarrière is verhoogd ongeveer 76 meV van 409 tot 485 meV. Deze resultaten geven aan dat zowel de elektroneninperking als gatinjectie verslechterd kunnen worden door de EBL met een onjuiste samenstelling, met name voor micro-LED die werkt bij lage stroomdichtheid.

Voor een diepe analyse, worden bandstructuren van micro-LEDs met Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N EBL en zonder EBL als vertegenwoordigers geïllustreerd in Fig. 8b, c. De EBL introduceert twee energiedalen aan de interface van laatste QB/EBL en EBL/p-GaN voor elektronen- en gataccumulatie, respectievelijk, wat bevestigd kan worden door het ladingsdragerconcentratiediagram in Fig. 8d. Daarom is de elektroneninperking en gatinjectie slecht voor deze structuur. Wanneer de EBL verwijderd wordt, zoals getoond in Fig. 8c, wordt de energiebarrière voor elektronen verhoogd, en het energiedal voor elektronen onttrekking en accumulatie verdwijnt. Deze veranderingen voorkomen elektronenlekkerstroom effectiever, zoals bevestigd in Fig. 8d. Tegelijkertijd wordt de barrièrehoogte voor gatinjectie verlaagd, en het energiedal aan de EBL/p-GaN-interface wordt ook verwijderd. Dus kan het gat direct in de QW transporteren zonder grote obstakel te tegenkomen, zoals getoond in Fig. 8c, d.