Оптимизация структур микросветодиодов InGaN для повышения квантовой эффективности при низких плотностях тока

Аннотация

Представлено комплексное численное исследование рабочего поведения и физических механизмов нитридных микросветодиодов (micro-LED) при низких плотностях тока. Анализ поляризационного эффекта показывает, что micro-LED испытывает более сильный квантово-ограниченный Старк-эффект (QCSE) при низких плотностях тока, что создает трудности для повышения эффективности и реализации стабильной полноцветной эмиссии. Перенос и согласование носителей проанализированы для определения лучших рабочих условий и оптимизации структуры micro-LED при низких плотностях тока. Показано, что меньшее число квантовых ям (КЯ) в активной области улучшает согласование носителей и скорость рекомбинации, повышая квантовую эффективность и выходную мощность. Обсуждается эффективность электронно-блокирующего слоя (EBL). При удалении EBL одновременно улучшаются электронная локализация и внедрение дырок, что значительно усиливает эмиссию micro-LED при низких плотностях тока. Исследованы рекомбинационные процессы Оже и Шокли-Реда-Холла (SRH), подчеркнута чувствительность к дефектам для micro-LED при низких плотностях тока.

Краткое содержание: Численно изучены поляризационно-индуцированный QCSE, перенос и согласование носителей, рекомбинационные процессы InGaN micro-LED при низких плотностях тока. На основе понимания этих механизмов предложены специально спроектированные эпитаксиальные структуры: две КЯ, высоколегированный или отсутствующий EBL, p-GaN с высокой дырочной концентрацией для эффективных micro-LED дисплеев. Подчеркнута чувствительность к плотности дефектов.

Введение

Группово-III нитридные видимые светодиоды (LED) широко применяются в сигнализации, оптической связи, хранении информации, подсветке, дисплеях, общественном освещении. С первой демонстрации InGaN микро-дискового LED диаметром 12 мкм Jiang et al. в 2000 г. micro-LED вызывают растущий интерес в высокорезолютивных дисплеях, видимой световой связи, биомедицине, сенсорике. По сравнению с LCD и OLED, micro-LED имеют преимущества: малый размер, высокое разрешение, высокая светосиловая эффективность, яркость, цветонасыщенность, долгая жизнь, высокая скорость отклика, надежность — делая их лучшим кандидатом для дисплеев следующего поколения. Сценарии: высококлассные TV, ноутбуки, мобильные устройства, VR, AR, прозрачные дисплеи. По оценке Yole, к 2025 г. рынок micro-LED дисплеев достигнет 330 млн единиц.

Традиционные применения нитридных LED, особенно освещение, требуют максимальной выходной оптической мощности. За три десятилетия исследования нитридных LED (дизайн эпитаксии, изучение механизмов, технологииfabrikации) фокусировались на больших кристаллах, высоких плотностях тока, высоких входных/выходных мощностях. Активная область эволюционировала от простейшей гетероструктуры и одной КЯ к множественным КЯ (MQW) с 5 периодами, даже 8–10 для коммерческих высокомощных устройств. EBL предлагали для блокировки утечки электронов при высоких плотностях тока, хотя он также препятствует внедрению дырок. Главная проблема высокомощных LED — падение внешней квантовой эффективности (EQE) с ростом плотности тока (efficiency droop). Внутренний механизм — косвенная Оже-рекомбинация при высокой концентрации внедренных носителей. Для расширения мощности развивали thin-film flip-chip и вертикальную геометрию впрыска.

Несмотря на прогресс в традиционных больших высокомощных LED, micro-LED принципиально отличаются. Разные рабочие поведения, механизмы и условия приводят к другим вызовам и исследовательским путям. Для традиционных LED пик EQE при высокой плотности тока (>30 А/см²). Для micro-LED дисплеев рабочая плотность тока намного ниже — 0,02–2 А/см². При таких низких плотностях EQE традиционных LED очень низка и недостаточна для практических micro-LED. Используя преимущества V-ям для скринирования дислаций и усиления внедрения дырок, Zhang et al. создали эффективные InGaN LED с пиковой эффективностью 24,0% при 0,8 А/см². Но их чипы традиционного размера (1×1 мм), намного больше micro-LED. Многие работы сообщают, что IQE и EQE micro-LED падают с уменьшением размера чипа. Эта размерозависимая деградация בעיקר из-за поверхностной рекомбинации и повреждений боковин плазменным сухим травлением. Боковые эффекты усиливают SRH нерадиационную рекомбинацию, снижая квантовую эффективность, и становятся серьезнее при меньших чипах из-за большей удельной площади боковин по отношению к активной области. Для решения предлагали пассивацию боковин диэлектриками, мокрое травление буферным фтористом или фотоэлектрохимическим методом для минимизации эффектов. Но даже с пассивацией пик EQE micro-LED (<60 мкм) все еще ниже 25%, и резко падает до нескольких процентов при плотности тока <2 А/см². Особенно для красных micro-LED на InGaN EQE довольно ограничена (<1%, даже 0,2% для мини-дисплеев) из-за сильной поляризации и плохого кристаллического качества. К тому же, с уменьшением чипа позиция пика EQE сдвигается к более высоким плотностям тока, что еще больше препятствует высокой эффективности при низких плотностях.

Следовательно, повышение квантовой эффективности при низких плотностях тока — главный вызов и критическая научная проблема для micro-LED дисплеев. Нужно повысить пиковую эффективность и сдвинуть начало эффективности к более низким плотностям тока. Ранее работы фокусировались на улучшении технологийfabrikации (пассивация боковин). Для повышения эффективности также необходимо изучить рабочие поведения и физические механизмы micro-LED при низких плотностях тока, которые еще недостаточно изучены. Кроме того, для создания устройств с высокой эффективностью при низких плотностях тока эпитаксиальная структура micro-LED должна быть перепроектирована и оптимизирована, что должно кардинально отличаться от традиционных больших высокомощных аналогов. На данный момент специально спроектированная эпитаксиальная структура для micro-LED дисплеев при низких плотностях тока отсутствует.

В этой работе выделены уникальные вызовы micro-LED для дисплейных приложений при низких плотностях тока и предложены потенциальные решения. С помощью ПО Advanced Physical Model of Semiconductor Devices численно исследуются рабочие поведения и физические механизмы InGaN micro-LED при плотностях тока от 200 до 0,1 А/см². Моделируются и анализируются зональная диаграмма, волновые функции и поляризационное поле для QCSE, подтверждается более тяжелый QCSE при низких плотностях тока. Систематически изучено влияние числа КЯ, p-легирования и AlGaN EBL на перенос носителей, их согласование, радиационную рекомбинацию и квантовую эффективность. Обсуждены эффекты и механизмы SRH и Оже рекомбинаций. На основе симуляции и анализа предложена оптимизированная эпитаксиальная структура специально для micro-LED при низких плотностях тока.

Структуры устройств и методы моделирования

В исследовании используется общая структура синего InGaN micro-LED с прямоугольным чипом 60×60 мкм и пиковой длиной волны ~465 нм. Рис. 1: синий micro-LED состоит из 200 нм n-GaN, MQW активной области, 20 нм p-Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N EBL и 150 нм p-GaN. MQW активная область содержит 8, 5, 3, 2 или 1 периодов с 2,5-нм In₀.₂₅Ga₀.₇₅N КЯ в 10-нм In₀.₀₅Ga₀.₉₅N квантовом барьере (QB). In-состав MQW настроен и оптимизирован для желаемой синей эмиссии. Легирование n-GaN, p-AlGaN EBL, p-GaN: 2×10¹⁸, 3×10¹⁸, 1×10¹⁹ см⁻³ соответственно.

Оптические и электрические свойства micro-LED численно изучаются с помощью ПО Advanced Physical Model of Semiconductor Devices. В симуляции предполагается 50% интерфейсных зарядовых плотностей от спонтанной и пьезоэлектрической поляризации. Если не указано иное, время жизни SRH и коэффициент Оже-рекомбинации: 100 нс и 1×10⁻³¹ см⁶/с. Соотношение смещения зон 0,7/0,3, коэффициент извлечения света фиксирован 70%, температура 300 К. Остальные материальные параметры в Ref [42].

Результаты и обсуждение

Эффективность преобразования электроэнергии в свет (WPE) LED выражается как: WPE = P_out / (I_op × V) = η_EQE × (ℏω / eV) = η_EQE × η_elect. EQE η_EQE = η_CIE × η_IQE × η_LEE. Согласно ABC-модели, η_IQE = R_rad / (R_rad + R_SRH + R_Auger), где R_rad — радиационная рекомбинация, R_SRH — SRH нерадиационная, R_Auger — Оже-рекомбинация. Рис. 1 показывает разные виды эффективностей и связанные физические механизмы и факторы. R_rad и CIE должны быть максимизированы, электрическая эффективность и LEE улучшены, SRH и Оже-рекомбинация снижены для повышения общей эффективности micro-LED при низких плотностях тока. Требуются системные подходы. Кроме извлечения света, эти вызовы обсуждаются ниже, а также потенциальные решения для создания эффективной эпитаксиальной структуры micro-LED.

QCSE при низких плотностях тока: внутреннее поляризационное поле

Поляризационно-индуцированный QCSE — один из доминирующих факторов, ограничивающих IQE нитридных LED. QCSE широко изучался для традиционных больших высокомощных LED, но в контексте специфических применений micro-LED обсуждается недостаточно. Поэтому этот важный эффект исследуется первым. Активная область micro-LED здесь построена из 5 КЯ — наиболее распространенное число для традиционных нитридных LED.

Рис. 2a: энергетические диаграммы и волновые функции первого уровня электронов и дырок в 5-й КЯ при 200 и 0,1 А/см². QB и КЯ испытывают сильный изгиб зон, ведущий к пространственному разделению электронных и дырковых волновых функций. Более того, изгиб сильнее при низкой плотности тока — более сильный QCSE. Это явление обусловлено слабым эффектом скринирования из-за меньшего числа неравновесных носителей при низком внедренном токе (см. Доп. файл 1: Рис. S1a-d). Рис. 2b: более тяжелый QCSE усиливает пространственное разделение пиков волновых функций при низкой плотности тока, снижая радиационную рекомбинацию. Радиационные скорости и EL-спектры без и с поляризацией (без и с QCSE) рассчитаны для количественной оценки уменьшения эмиссии за счет разделения электронов и дырок. Рис. 2c,d: интегральная интенсивность радиационной рекомбинации и EL-интенсивность снижены примерно на 84,0% и 72,3% QCSE соответственно. Эти результаты указывают, что повысить эффективность micro-LED сложнее, чем традиционных высокомощных аналогов, из-за усиленного QCSE при низких плотностях тока.

Кроме того, точный и стабильный контроль длины волны эмиссии при разных плотностях тока критичен для micro-LED дисплеев, так как определяет яркость, цветовую точность и насыщенность. Но более тяжелый QCSE при низких плотностях тока делает это серьезным вызовом, особенно для зеленых и красных micro-LED, требующих более высокого In-состава. Как прямое следствие усиленного изгиба зон в InGaN КЯ с более высоким In и более сильного QCSE, сдвиг длины волны в зависимости от плотности тока становится более выраженным из-за эффекта скринирования. EL-спектры красных, зеленых, синих micro-LED при разных плотностях тока рассчитаны для демонстрации влияния спектрального сдвига на цветовые точки. Доп. файл 1: Рис. S2 показывает, что при изменении плотности тока от 0,1 до 20 А/см² пиковые длины волн синеют примерно на 15,8, 6,6 и 1,7 нм для красного, зеленого, синего micro-LED соответственно. Цветовые точки, созданные комбинацией RGB micro-LED, также рассчитаны (Доп. файл 1: Табл. S1). Рис. 2e: соответствующая 1931-CIE (x,y) хроматическая диаграмма. Ясно, что цвет эмиссии RGB micro-LED сильно меняется от зеленого к сине-зеленому при увеличении плотности тока. CIE x меняется от 0,1676 до 0,2084, y — от 0,3891 до 0,3106. Это существенное изменение цветовой точки сильно ухудшает производительность micro-LED дисплея.

Многие работы предлагают подходы к подавлению QCSE: InGaN/AlGaN ультратонкие сверхрешетчатые барьеры, InGaN/GaN/AlGaN/GaN MQW с GaN-промежуточными барьерами, сморщенные MQW, вставка слоя релаксации напряжения перед MQW. Но QCSE вызван внутренними свойствами c-плоскостного нитрида. Несколько корректировок MQW недостаточны для полного подавления. Недавно достигнута достойная эффективность для неполярных нитридных LED. Если стоимость неполярных GaN-субстратов снизится, неполярные LED могут стать идеальным решением для уменьшения QCSE и реализации стабильной полноцветной эмиссии.

Перенос и согласование носителей

Плотности тока электронов (J_n) и дырок (J_p): J_n = σ_n|E| = n q μ_n|E|, J_p = σ_p|E| = p q μ_p|E|, где σ — проводимость, n,p — концентрации, μ — подвижности, E — электрическое поле. В нитридах дырочная концентрация на порядок ниже электронной, а подвижность дырок на два порядка ниже электронной. Эта асимметрия концентраций и подвижностей приводит к несовпадению носительских потоков (J_n > J_p) и ухудшает производительность LED двумя способами.

Эффективность внедрения тока (CIE): CIE η_CIE = J_recomb / J_total = (J_n-recomb + J_p-recomb) / (J_n + J_p) = 2×J_p / (J_n + J_p). J_recomb зависит от меньшего из носительских токов — дырочного тока. Уравнение подтверждает, что несовпадение носителей (J_n > J_p) ограничивает максимизацию CIE.

Радиационная скорость рекомбинации: R_rad описывается правилом Ферми (уравнение 7). Меньшее количество дырок и дополнительное накопление электронов в КЯ приводят к расширению кристаллической решетки и накоплению тензильного напряжения. При этом вариации напряжения зарядовые плотности квантовых уровней у максимума валентной зоны уменьшаются. Это дальше снижает вероятность оптического перехода и уменьшает R_rad. Таким образом, локальное несовпадение носителей в отдельной КЯ также ограничивает IQE.

В следующих разделах анализируется влияние числа КЯ, p-легирования и структуры EBL на перенос носителей для определения лучших условий согласования. Наконец, предложена оптимизированная эпитаксиальная структура для эффективного micro-LED дисплея при низких плотностях тока.

Несовпадение носителей в 5 КЯ

Сначала смоделированы перенос носителей в синем micro-LED с 5 КЯ. Распределения концентраций носителей при 200 и 0,1 А/см² показаны в Доп. файле 1: Рис. S3a,b. Неоднородное распределение в 5 КЯ наблюдается при высоких и низких плотностях тока. Доп. файл 1: Рис. S3c,d: подвижность электронов в MQW (684 см²/В·с) в два порядка выше дырочной (10 см²/В·с). Электроны могут просто внедряться, затем проходить через MQW без участия в рекомбинации, вызывая утечку электронов и низкий CIE.

Рис. 3a: распределение токов электронов и дырок при 200 А/см². Общий дырочный ток (217,4 А/см²) только 65,2% от электронного (333,3 А/см²) — тяжелое несовпадение и низкий CIE. Утечка электронного тока достигает 116,0 А/см², ухудшая и радиационную эффективность, и внедрение дырок. Рис. 3b: при 0,1 А/см² утечка электронного тока только 0,01 А/см², расчетная η_CIE достигает 95%. Эти результаты показывают, что высокий CIE легче достижим при низких плотностях тока. Однако, кроме 5-й КЯ, где J_p = J_n, несовпадение и дополнительное накопление электронов довольно сильно в других четырех КЯ (1–4) как при высоких, так и при низких плотностях тока. При 200 А/см² электронные токи в этих 4 КЯ в 120, 43, 16, 5 раз выше дырочных (Рис. 3a). При 0,1 А/см² — в 23, 9, 4, 2 раза выше (Рис. 3b). По уравнению (7) это сильное несовпадение очевидно снижает радиационную рекомбинацию в этих 4 КЯ. Радиационные скорости в них всего ~3,4%, 4,0%, 10,1%, 34,2% при 200 А/см² и 11,3%, 10,1%, 10,7%, 21,2% при 0,1 А/см² по сравнению с 5-й КЯ. Это несовпадение и низкая радиационная эмиссия в конечном счете снижают монолитную эффективность micro-LED.

Факторы, влияющие на перенос и согласование носителей

Число КЯ: Для традиционных больших LED при высоких плотностях тока MQW с 5, даже 8–10 периодами нужны для высокой выходной мощности. Но для micro-LED дисплеев выходная мощность намного меньше, рабочая плотность тока — ниже. Как обсуждалось, даже при низких плотностях тока несовпадение носителей остается тяжелым в 5 КЯ, и только одна КЯ достигает лучшего согласования. С этой точки зрения, для micro-LED при низких плотностях тока активная область с меньшим числом КЯ должна быть лучшим дизайном для повышения эффективности благодаря улучшенному согласованию носителей.

Влияние числа КЯ на micro-LED исследовано для проверки предположения. Рис. 4a–f: токовые плотности носителей и радиационные скорости при 0,1 А/см² для LED с 3, 2, 1 КЯ. Токовые кривые имеют только одну точку пересечения (лучшее согласование, J_n = J_p) из-за монотонно убывающего тока, но при меньшем числе КЯ (3 и 2 КЯ) достигается две точки пересечения в двух разных КЯ (Рис. 4a,b). То есть несовпадение в MQW может быть частично преодолено с меньшим числом КЯ. Особенно для 2 КЯ с соответствующей настройкой идеальное согласование потоков носителей достигается во всех двух КЯ. Радиационная скорость также выше в 2 КЯ, чем в 3 и 5 КЯ, потому что потребление носителей радиационной рекомбинацией более сконцентрировано в активной области с меньшим числом КЯ (Рис. 3d, 4d,e). Несомненно, лучшее согласование в LED с 1 КЯ, и радиационная скорость тоже максимальна для 1 КЯ (Рис. 4c,f).

Рис. 5a,b: IQE в зависимости от плотности тока 0–200 А/см² и 0–10 А/см². При плотности >50 А/см² IQE падает при уменьшении числа КЯ. Напротив, при плотности <~30 А/см² IQE растет при уменьшении числа КЯ. При 0,1 А/см² IQE для 8, 5, 3, 2, 1 КЯ: 55%, 62%, 69%, 77%, 78%. Более того, позиция пика IQE сдвигается с 6,0 А/см² (8 КЯ) к наименьшей плотности ~1,2 А/см² (2 КЯ). Кривые IQE при низких плотностях (<1 А/см²) становятся более крутыми и резкими при меньшем числе КЯ, что указывает на более легкое и быстрое достижение максимальной эффективности. Это очень полезно для повышения эффективности при низких плотностях тока. Физический механизм — лучшее согласование потоков носителей и более сконцентрированная, сильная радиационная эмиссия в активной области с меньшим числом КЯ. Рис. 5c: по сравнению с 8 КЯ, интегральная EL-интенсивность 5, 3, 2, 1 КЯ при 0,1 А/см² увеличивается примерно на 6,1%, 14,8%, 28,4%, 32,1%. Это подтверждает, что не только эффективность, но и выходная мощность улучшаются при меньшем числе КЯ.

Симуляция показывает, что 1 КЯ дает наивысшую EL-интенсивность и, возможно, лучшую структуру для micro-LED при низких плотностях тока. Однако экспериментально трудно эпитаксиально вырастить ровно одну КЯ с плоской поверхностью и резким интерфейсом. Кроме того, для 1 КЯ позиция пика IQE слегка увеличивается до 2,9 А/см², форма кривой IQE тоже немного меняется. Это объясняется особенностями единственной КЯ. По сравнению с другими КЯ, КЯ, прилегающая к EBL, имеет особую поляризационную среду и считается «проблемной КЯ». Эта тема обсуждается в разделе AlGaN EBL. Учитывая эти причины, 2 КЯ должны быть лучшим дизайном активной области, имеющим похожее хорошее согласование потоков, близкие значения IQE и EL-интенсивность к 1 КЯ. Поэтому в следующих разделах все симуляции основаны на micro-LED с 2 КЯ.

Концентрация p-легирования p-GaN: Исследована производительность 2 КЯ LED с разными p-легированием p-GaN. Рис. 6a: при увеличении легирования p-GaN от 1×10¹⁸ до 5×10¹⁹ см⁻³ радиационные скорости при 0,1 А/см² возрастают примерно на 3,1% и 3,0% для двух КЯ. Рис. 6b: общий дырочный ток растет от 0,157 до 0,162 А/см², утечка электронного тока снижается с 0,009 до 0,005 А/см². Стоит отметить, что рекомбинационный ток в КЯ ближе к n-стороне выше, чем в КЯ ближе к p-стороне (Рис. 6b). Поэтому радиационная скорость в n-сторонней КЯ также немного выше. Рис. 6c: энергетический барьер для носителей в EBL (энергетическое расстояние между квазиферми-уровнями электронов/дырок и верхом зоны проводимости/дном валентной зоны) почти не меняется при разных легированиях p-GaN, то есть внедрение дырок не улучшается повышением легирования. Рис. 6d: средняя дырочная концентрация в p-GaN и КЯ. Дырочная концентрация в p-GaN почти экспоненциально зависит от легирования. Внутри КЯ дырочная концентрация увеличивается примерно в 2 раза с 1,59×10¹⁹ до 3,08×10¹⁹ см⁻³ при более высоком легировании. Эти результаты показывают, что увеличение дырочной концентрации — основной вклад в улучшение радиационной рекомбинации. Значит, даже при низких плотностях тока проблема p-легирования нитридов остается актуальной, и повышение эффективности легирования и дырочной концентрации все еще полезно для эффективности micro-LED.

AlGaN EBL: За последние десятилетия 10–20 нм p-AlGaN EBL стал стандартной структурой для традиционных нитридных LED. EBL считается блокирующим утечку электронов и подавляющим efficiency droop при высоких плотностях тока. Но EBL — сложная, тонкая структура для LED. Включает многие важные факторы: Al-состав, p-эффективность легирования AlGaN, смещение зон, поляризационный эффект. Каждый может существенно влиять на зонную структуру и перенос носителей, определяя эффективность EBL. При построении EBL толщина, состав, легирование должны быть тщательно рассмотрены и оптимизированы для баланса усиления электронной локализации и блокировки внедрения дырок, иначе может произойти обратный эффект, ухудшающий производительность. Для micro-LED эффективность EBL при низких плотностях тока должна быть переосмыслена, она может отличаться от случая традиционных высокомощных LED.

а. Легирование EBL: Сначала изучено влияние легирования EBL на перенос носителей при низких плотностях тока. Толщина и Al-состав EBL фиксированы: 20 нм и 0,15. Учитывая низкую растворимость Mg в AlGaN, деградацию кристалла и компенсацию при перелегировании, легирование EBL сначала установлено 3×10¹⁸ см⁻³. Рис. 7a: соответствующая зонная структура. Несмотря на наличие EBL, утечка электронов из КЯ все еще возможна из-за недостаточной электронной локализации из-за нисходящего изгиба последней КЯ и EBL. Появляется новая энергетическая впадина под квазиферми-уровнем электронов на интерфейсе последнего QB/EBL. Электроны сбегают из КЯ и накапливаются в этой области. Это искажение зонной структуры делает EBL относительно неэффективным, вклад дает поляризационный эффект. Рис. 7c: сильная поляризация индуцирует большой заряд на интерфейсах. Из-за небалансированных положительных поляризационных зарядов на интерфейсе последнего QB/EBL возникает большое электростатическое поле, направленное от p-стороны к n-стороне, в последнем QB, противоположное полям в других QB и EBL. Эти поля тянут вниз зоны последнего QB и EBL. Более того, поля в последней КЯ и последнем QB оба привлекают электроны и выталкивают их из активной области в p-слой. Это видно на диаграмме концентраций носителей (Рис. 7d). Пунктирная черная линия показывает, что часть электронов сбегает из активной области и накапливается на интерфейсе последнего QB/EBL. В EBL и p-GaN утечка электронов остается относительно высокой.

С другой стороны, EBL вводит потенциальный барьер до 480 мэВ для внедрения дырок. Рис. 7a,c: энергетическая впадина близко к квазиферми-уровню дырок появляется в интерфейсной области EBL/p-GaN из-за поляризации. Как показывает сплошная черная линия на Рис. 7d, большинство дырок блокируется EBL и накапливается в энергетической впадине интерфейса EBL/p-GaN. Из-за неэффективного переноса носителей последняя КЯ считается «проблемной КЯ», EBL имеет низкую способность к электронной локализации и отвечает за плохое внедрение дырок. По сравнению с традиционными высокомощными LED, эта поляризационно-индуцированная неэффективность EBL может быть особенно тяжелой для micro-LED из-за усиленного поляризационного эффекта при меньшем скринировании носителями при низких плотностях тока.

Инженерия зон путем увеличения легирования EBL — возможный метод улучшения электронной локализации и внедрения дырок. Активационная энергия Mg в AlGaN EBL выше, чем в GaN, поэтому даже при похожем легировании активная дырочная концентрация в EBL остается намного ниже p-GaN. Низкая дырочная концентрация дальше разделяет дырочный квазиферми-уровень и валентную зону, увеличивая высоту барьера. На основе этого анализа легирование EBL должно быть намного выше p-GaN. Учитывая экспериментальные ограничения, выбрано 6×10¹⁹ см⁻³ как новое легирование в EBL. Рис. 7b: увеличение легирования поднимает валентную зону EBL из-за выравнивания дырочного квазиферми-уровня, снижая дырочный энергетический барьер до 281 мэВ. Более того, высокое p-легирование помогает снизить электронный квазиферми-уровень относительно зоны проводимости в EBL, повышая эффективный барьер для утечки электронов до 1175 мэВ. Эти изменения улучшают электронную локализацию и внедрение дырок. Рис. 7d: по сравнению с легированием 3×10¹⁸ см⁻³, дырочная концентрация в активной области сильно возрастает, утечка электронов в EBL и p-GaN снижается почти до нуля. Однако энергетическая впадина на интерфейсе EBL/p-GaN все еще существует. Более того, подъем валентной зоны вводит новую энергетическую впадину для накопления дырок на интерфейсе последнего QB/EBL, подтверждаемую распределением дырочной концентрации на Рис. 7d. Эти впадины препятствуют внедрению дырок в КЯ, компенсируя преимущество высокого легирования.

b. Al-состав EBL: По сравнению с увеличением легирования, снижение Al-состава AlGaN EBL может быть более легким, эффективным методом улучшения переноса носителей при низких плотностях тока. Эффективность EBL чувствительно зависит от Al-состава, смещения зон и поляризации. Увеличение Al-состава повышает смещение зон между последним QB/EBL, увеличивая электронный барьер. Но, как на Рис. 8a, поляризационно-индуцированные заряды на интерфейсах тоже растут, тянув вниз электронный барьер. Два механизма имеют противоположное действие на локализацию электронов.

На основе этого анализа изучен перенос носителей в 2 КЯ micro-LED с разными EBL при 200 и 0,1 А/см². Результаты эффективных высот барьеров для разных EBL в Таблице 1. Во-первых, и электронные, и дырочные барьеры при низкой плотности тока намного выше, чем при высокой, из-за меньшей популяции неравновесных носителей. Высокий барьер улучшает электронную локализацию, но тяжело препятствует внедрению дырок при низких плотностях тока. Это указывает на то, что влияние EBL на перенос носителей micro-LED при низких плотностях тока намного выше, чем у традиционных высокомощных LED. Таблица 1 также показывает: при относительно низком Al-составе электронный барьер падает с ростом Al-состава, что означает, что нисходящий изгиб зоны проводимости из-за поляризации больше, чем увеличение смещения зон от более высокого Al. При дальнейшем увеличении состава электронный барьер растет вместе с составом, то есть смещение зон становится доминирующим над поляризационным эффектом. По сравнению с высокой плотностью тока, этот переключающийся состав выше при низкой плотности из-за усиленного поляризационного эффекта при меньшем скринировании. С другой стороны, из-за исходного смещения зон между последним QB/p-GaN и изгиба зон, барьеры для электронов и дырок существуют на интерфейсе даже без EBL. При 200 А/см², когда состав <0,20, электронный барьер ниже, чем без EBL, но дырочный барьер выше ~64 мэВ. При 0,1 А/см², даже при составе >0,20, электронный барьер AlGaN EBL (523 мэВ) все еще на 151 мэВ ниже, чем без EBL (674 мэВ), но дырочный барьер увеличивается ~76 мэВ с 409 до 485 мэВ. Эти результаты показывают, что и электронная локализация, и внедрение дырок могут ухудшиться EBL с неверным составом, особенно для micro-LED при низких плотностях тока.

Для глубокого анализа зонные структуры micro-LED с Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N EBL и без EBL как представителей показаны на Рис. 8b,c. EBL вводит две энергетические впадины на интерфейсах последнего QB/EBL и EBL/p-GaN для накопления электронов и дырок соответственно, подтверждаемое диаграммой концентраций носителей на Рис. 8d. Поэтому электронная локализация и внедрение дырок плохи для этой структуры. Когда EBL удален, как на Рис. 8c, электронный барьер увеличивается, и впадина для извлечения и накопления электронов исчезает. Эти изменения эффективнее предотвращают утечку электронов, подтвержденное на Рис. 8d. Одновременно барьер для внедрения дырок снижается, впадина на интерфейсе EBL/p-GaN тоже устраняется. Дырки могут транспортироваться прямо в КЯ без больших препятствий, как на Рис. 8c,d.

Тщательное исследование предполагает, что структура без EBL может быть лучшей для micro-LED при низких плотностях тока. Результаты симуляции подтверждают. Рис. 8e: токовые плотности носителей при 0,1 А/см² для разных EBL. При снижении Al-состава EBL с 0,15 до 0,04 общие электронные и дырочные токи растут с 0,167 и 0,159 А/см² до 0,225 и 0,225 А/см². При полном удалении EBL оба тока сильно возрастают до 0,528 А/см² — примерно в 3 раза выше по сравнению с Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N EBL. Это улучшение обусловлено одновременно улучшенной электронной локализацией и внедрением дырок.

Рис. 8f: кривые IQE при низких плотностях тока. При снижении Al-состава с 0,15 до 0,04 значения IQE очевидно возрастают из-за улучшенного переноса носителей. Однако при полном удалении EBL значение IQE незначительно снижается по сравнению с Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBL. Это объясняется согласованием носителей в двух КЯ. Как показано зелеными стрелками на Рис. 8e, идеальное согласование произошло в обеих КЯ с Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBL. При увеличении тока удалением EBL согласование электронных и дырочных потоков слегка нарушается в первой КЯ, где электронный ток слегка выше дырочного. Поэтому IQE незначительно снижается из-за этого несовпадения в одной КЯ.

Преимущество micro-LED без EBL все равно замечательно благодаря улучшенному переносу носителей. Рис. 8g: при 0,1 А/см² интегральные EL-интенсивности micro-LED без EBL в 3,53, 3,23 и 2,38 раза выше по сравнению с LED с Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N, Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N и Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBL соответственно. Более того, как показано на вставке Рис. 8g, рабочие напряжения при 1 и 0,1 А/см² снижаются примерно на 0,53 В и 0,57 В при удалении EBL. Это улучшает электрическую эффективность, затем повышает WPE micro-LED. Для дальнейшего подтверждения что EBL-free структура — лучший дизайн для micro-LED при низких плотностях тока, выполнена другая симуляция с известной структурой синего micro-LED с максимальной эффективностью. Результаты и обсуждение в Доп. материалах (Доп. файл 1: Рис. S4a-d).

Оптимизированная структура для micro-LED при низких плотностях тока

На основе вышеуказанных симуляций и анализа предложена оптимизированная эпитаксиальная структура специально для эффективных micro-LED дисплеев при низких плотностях тока (Рис. 9). Должны соблюдаться три принципа. Во-первых, в отличие от традиционных больших высокомощных нитридных LED, число КЯ micro-LED должно быть снижено до двух, что дает лучшие условия для согласования носителей, более сконцентрированную радиационную эмиссию, более высокую IQE и WPE. Во-вторых, p-легирование все еще нужно усиливать из-за относительно низкой дырочной концентрации и подвижности по сравнению с электронами в нитридах, что требует более эффективной p-легирования стратегии. В-третьих, для улучшения переноса и согласования носителей легирование AlGaN EBL должно быть 크게 повышено, или AlGaN EBL можно полностью удалить. Без AlGaN EBL электронная локализация, внедрение дырок, согласование носителей, IQE и WPE micro-LED могут быть 크게 улучшены при низких плотностях тока.

Оже-рекомбинация и SRH нерадиационная рекомбинация

Из уравнения (3), кроме радиационной рекомбинации, SRH и Оже-рекомбинация играют критические роли в IQE LED. Поэтому важно изучить эффекты и механизмы SRH и Оже-рекомбинации для micro-LED. В этой части используется структура LED с 2 КЯ, все параметры симуляции те же, что в Методах, кроме времени жизни SRH.

Пренебрежимо малая Оже и выдающаяся SRH рекомбинация

SRH скорость рекомбинации (уравнение 8-10): R_SRH = (np - n_i²) / [τ_p(n + n_i exp(E_T/kT)) + τ_n(p + n_i exp(E_T/kT))], где τ_p = 1/(c_p N_t), τ_n = 1/(c_n N_t), c_p = σ_p ν_p, c_n = σ_n ν_n. n_i — собственная концентрация носителей, τ_p, τ_n — времена жизни дырок и электронов SRH, E_T — энергетическая разница между ловушковым уровнем и собственным ферми-уровнем, c_p, c_n — коэффициенты захвата, N_t — плотность ловушек, σ_p, σ_n — сечения захвата, ν_p, ν_n — средние тепловые скорости. Согласно уравнениям (8-10), SRH рекомбинация ловушки полностью определяется ее плотностью, сечениями захвата и энергетическим уровнем.

Оже-рекомбинация (уравнение 11): R_Auger = (C_n n + C_p p)(np - n_i²), где C_n, C_p — коэффициенты Оже-рекомбинации.

Учитывая, что внедренные дырочные и электронные концентрации намного выше собственной в нелегированных КЯ (по симуляции, максимальная носительская концентрация в КЯ всего ~10⁷ см⁻³ без внешнего внедрения), SRH и Оже-рекомбинации можно упростить (уравнения 12, 13): R_SRH = np / (τ_p n + τ_n p), R_Auger = (C_n n + C_p p) np. Уравнения (12) и (13) четко показывают: R_SRH прямо пропорциональна первой степени носительской концентрации, а R_Auger зависит от третьей степени. То есть R_SRH чувствительна к низким плотностям тока, а R_Auger доминирует при высоких плотностях тока.

Этот теоретический анализ согласуется с результатами симуляции. Рис. 10a,b: рассчитанные радиационные, SRH и Оже-рекомбинации при 200 и 0,1 А/см². При высокой плотности тока Оже-рекомбинация (~0,8–1,4×10²⁹ см⁻³с⁻¹) сопоставима с радиационной (~4,2–6,0×10²⁹ см⁻³с⁻¹). На самом деле, существенная проблема efficiency droop при высоких токах теперь широко признается вызванной Оже-рекомбинацией. При низкой плотности тока Оже-рекомбинация драматически падает на два порядка ниже (~6,3–7,2×10²² см⁻³с⁻¹) по сравнению с радиационной (~3,7–4,0×10²⁴ см⁻³с⁻¹). Следовательно, Оже-рекомбинация должна быть пренебрежимо малой при низких плотностях тока. Наоборот, с уменьшением плотности тока SRH-рекомбинация относительно возрастает от малого значения при 200 А/см² (на два порядка ниже радиационной) до уровня, сопоставимого с радиационной эмиссией при 0,1 А/см². В результате, micro-LED при низких плотностях тока требует улучшения SRH или дефектной рекомбинации, а не Оже-рекомбинации.

Требование к низкой плотности дефектов

Из уравнения (9) времена жизни SRH τ_p, τ_n обратно пропорциональны плотности дефектов N_t. Поэтому эффект плотности дефектов можно оценить, просто меняя время жизни SRH в симуляции. Рис. 10c: рассчитанное отношение SRH/радиационная рекомбинация при разных временах жизни SRH. При снижении времени жизни SRH с 150 до 50 нс (т.е. росте плотности дефектов) отношение SRH/радиационная слегка растет с 0,01 до 0,03 при 200 А/см², но сильно возрастает с 0,15 до 0,43 при 0,1 А/см². Это означает, что гораздо больший процент носителей поглощается ловушками дефектов при низкой плотности тока. Следовательно, эффективность намного более чувствительна к плотности дефектов при низком токе, чем при высоком. Результаты IQE (Рис. 10d,e) подтверждают эту тенденцию. При снижении времени жизни SRH с 150 до 50 нс IQE падает всего на ~0,01 при 200 А/см², но драматически — на ~0,17 при 0,1 А/см². Более того, Рис. 10f: при снижении времени жизни SRH позиция пика IQE сдвигается с 3,1 А/см² к более высокой плотности 9,0 А/см², кривые IQE становятся менее крутыми и резкими, что означает увеличение порогового/начального тока. Это невыгодно для повышения эффективности micro-LED при низких плотностях тока.

По сравнению с традиционными большими высокомощными LED, работающими при высоких плотностях тока, micro-LED при низких плотностях тока намного более чувствительны к плотности дефектов, и минимизация дефектной рекомбинации имеет первостепенное значение для достижения высокой эффективности. Поэтому micro-LED требуют гораздо более высокого кристаллического качества материалов, чем традиционные LED, и ставят большие вызовы перед эпитаксиальным ростом материалов и фабрикацией устройств для сообщества.

Заключение

Подводя итог, рабочие поведения, механизмы и условия InGaN micro-LED при низких плотностях тока численно изучены, и предложена оптимизированная эпитаксиальная структура специально для micro-LED дисплеев. Анализ поляризационного эффекта показывает, что micro-LED страдает от более тяжелого QCSE при низких плотностях тока. Следовательно, повышение эффективности и контроль цветовой точки эмиссии становятся более сложными. Перенос и согласование носителей проанализированы для определения рабочих условий micro-LED. Показано, что меньшее число КЯ улучшает согласование носителей и приводит к более высокой эффективности и выходной мощности при низких плотностях тока. Эффективность EBL для micro-LED проанализирована, и показано, что электронная локализация и внедрение дырок одновременно улучшаются при низких плотностях тока удалением EBL. Более того, симуляция показала, что Оже-рекомбинация пренебрежимо мала, но SRH-рекомбинация сильно влияет на эффективность micro-LED при низких плотностях тока, что выдвигает более высокие требования к кристаллическому качеству материалов и технологическому процессу устройств. Наше численное исследование может дать ценные рекомендации для создания эффективных micro-LED дисплеев и стимулировать будущие исследования в этой области.