Конструкции структуры микросветов InGaN для повышения квантовой эффективности при низкой плотности тока

Введение

Видимые светодиоды (СИД) на основе нитридов группы III имеют широкий спектр применения, включая сигналы, оптическую связь, хранение информации, подсветку, дисплеи и общее освещение (или твердотельное освещение) [1, 2]. С момента первой демонстрации микродискового светодиода InGaN диаметром 12 мкм Цзянем и его сотрудниками в 2000 году [3, 4], микро-светодиоды получили расширение академических и промышленных интересов в области дисплеев с высоким разрешением. , связь в видимом свете, биомедицина и зондирование [5,6,7,8]. По сравнению с жидкокристаллическим дисплеем (LCD) и органическими светодиодами (OLED), микро-светодиоды имеют преимущества небольшого размера, высокого разрешения, высокой светоотдачи, высокой яркости, высокой цветовой насыщенности, длительного срока службы, высокой скорости отклика, и надежность, что делает его наиболее многообещающим кандидатом для технологии отображения следующего поколения [9, 10]. Сценарии применения микро-светодиодных дисплеев включают телевизоры высокого класса (TV), ноутбуки, портативные и мобильные терминалы, виртуальную реальность (VR), дополненную реальность (AR), прозрачный дисплей и т. Д. По оценке Yole, к 2025 году рынок микро-светодиодных дисплеев достигнет 330 миллионов единиц [11].

Традиционное применение нитридных светодиодов III группы, особенно твердотельное освещение, требует, чтобы выходная оптическая мощность была как можно большей [12]. В последние три десятилетия, мотивированные приложениями большой мощности, современные исследования нитридных светодиодов, включая разработку и оптимизацию эпитаксиальной структуры, изучение рабочего поведения и физического механизма устройства, а также совершенствование технологии изготовления, в основном ориентирован на большой чип, высокую плотность рабочего тока и высокую входную / выходную мощность [12, 13]. Прежде всего, активная область нитридного светодиода эволюционировала от простейшей гетероструктуры и одиночной квантовой ямы (КЯ) на ранней стадии до сегодняшних множественных квантовых ям (МКЯ) с 5-периодными квантовыми ямами, а количество квантовых ям может даже достигать 8 или 10 для нескольких промышленные устройства большой мощности [14,15,16,17]. EBL был предложен для блокирования утечки электронов при высокой плотности тока инжекции, даже он также может препятствовать инжекции дырок на определенном уровне [18, 19]. Для обычных мощных светодиодов наиболее существенной проблемой является снижение внешней квантовой эффективности (EQE) с увеличением плотности тока, что известно как падение эффективности. Внутренний механизм такого поведения связан с непрямой оже-рекомбинацией при высокой плотности инжектированных носителей [20]. Что касается изготовления, то для увеличения мощности нитридных светодиодов разработаны тонкопленочные перевернутые кристаллы и вертикальная инжекционная геометрия [21, 22].

Значительные успехи были достигнуты в создании традиционных крупногабаритных высокомощных нитридных светодиодов, и некоторые извлеченные уроки могут быть использованы для изучения микро-светодиодов. Однако микро-светодиоды по-прежнему сильно отличаются от своих высокомощных аналогов. Различное поведение, механизмы и условия работы микро-светодиода могут привести к различным проблемам и направлениям исследований [23, 24]. Для традиционных светодиодов пик EQE находится при высокой плотности тока, а рабочая плотность тока высока и превышает пиковую эффективность (> 30 А · см ⁻² ). Но для светодиодного излучающего дисплея рабочая плотность тока должна быть намного ниже и часто находится в диапазоне от 0,02 до 2 А · см ⁻² . [24]. При такой низкой плотности тока EQE традиционных нитридных светодиодов очень низок и недостаточен для практических применений дисплеев с микро-светодиодами. Используя преимущества V-образной ямы для экранирования дислокаций и улучшения впрыска отверстий, Чжан и его сотрудники создали эффективные светодиоды на основе InGaN с максимальной эффективностью до 24,0% при 0,8 А / см ² . Однако светодиодные чипы, о которых сообщил Zhang et al. все еще ограничен стандартным размером (1 мм × 1 мм), который намного больше, чем у микро-светодиода [25]. Более того, во многих работах сообщается, что внутренняя квантовая эффективность (IQE) и EQE микро-светодиодов уменьшаются по мере уменьшения размера чипа [26,27,28]. Эта зависимая от размера деградация в основном объясняется поверхностной рекомбинацией и повреждениями боковых стенок, вызванными сухим травлением с помощью плазмы. Эти боковые эффекты вносят вклад в безызлучательную рекомбинацию Шокли – Рида – Холла (SRH), затем снижают квантовую эффективность и становятся гораздо более серьезными при меньшем размере чипа из-за большей удельной поверхности / площади боковой стенки по сравнению с активная область устройства [29,30,31]. Чтобы решить эту проблему, были предложены пассивирование боковых стенок с использованием диэлектрических материалов и влажное травление с использованием буферной фтористоводородной кислоты или фотоэлектрохимический метод, чтобы минимизировать эти эффекты до определенного уровня для микро-светодиода [31,32,33]. Однако даже улучшенный пассивированием боковин, пиковый EQE микро-светодиодов (с размером менее 60 мкм) все еще ниже 25% и резко снижается до нескольких процентов при плотности тока ниже 2 А · см ^{. −2} [34, 35]. В частности, для красного микро-светодиода на основе InGaN, EQE, о котором сообщается в настоящее время, весьма ограничен значением ниже 1% из-за сильной поляризации и низкого качества кристалла [0,2%) для мини-дисплеев. Appl Phys Express 14:011004 "href =" / article / 10.1186 / s11671-021-03557-4 # ref-CR36 "id =" ref-link-section-d295113462e757 "> 36]. Более того, при уменьшении размера чипа, положение пика EQE также смещается в сторону более высокой плотности тока, что еще больше затрудняет высокий КПД при низкой плотности тока [26].

Таким образом, повышение квантовой эффективности при низкой плотности тока становится большой проблемой и критической научной проблемой для приложений с эмиссионным дисплеем на основе микро-светодиодов. Для этого следует увеличить пиковую эффективность и сместить начальную точку КПД на соответствующую более низкую плотность тока. Ранее работы в основном были сосредоточены на усовершенствовании технологии изготовления, такой как пассивирование боковин. Для повышения эффективности также важно исследование рабочих режимов и физических механизмов микросветодиода при низкой плотности тока, что еще остается относительно неизученным и непонятным. Кроме того, для создания устройства, которое может повысить эффективность при низкой плотности тока с максимальным значением, эпитаксиальная структура микро-светодиода также должна быть перепроектирована и оптимизирована, что должно сильно отличаться от их традиционных крупногабаритных высокопроизводительных светодиодах. аналоги ввода / вывода. На данный момент по-прежнему отсутствует специально разработанная эпитаксиальная структура для излучающего микро-светодиодного дисплея, работающего при низкой плотности тока.

В этой работе выделены уникальные проблемы микро-светодиодов для приложений отображения, работающих при низкой плотности тока, и предложены потенциальные решения для их решения. Используя программное обеспечение Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37], мы численно исследуем поведение и физические механизмы InGaN микро-светодиодов при различной плотности тока от 200 до 0,1 А / см ² . Полосная диаграмма, волновая функция и поляризационное поле моделируются и анализируются для QCSE микро-светодиода, и подтверждается более серьезное QCSE при низкой плотности тока. Влияние количества QW, p Концентрация легирования типа AlGaN и EBL AlGaN на транспорте носителей, согласовании носителей, излучательной рекомбинации и квантовой эффективности микро-светодиода исследуются на систематической основе. Также обсуждаются эффект и механизм относительно SRH и оже-рекомбинации. На основе моделирования и анализа предлагается оптимизированная эпитаксиальная структура, специально разработанная для микро-светодиодов, работающих при низкой плотности тока.

Структуры устройства и методы моделирования

В этом исследовании для моделирования используется общая структура синего микро-светодиода InGaN с прямоугольным кристаллом размером 60 × 60 мкм и максимальной длиной волны излучения около 465 нм. На рисунке 1 показано, что синий микро-светодиод состоит из 200 нм n -Слой GaN, активная область МКЯ, 20 нм p -Al _0,15 Ga _0,85 N EBL и 150 нм p -GaN слой. Активная область МКЯ состоит из 8, 5, 3, 2 или 1 периода с In _0,25 толщиной 2,5 нм. Ga _0,75 N QW, внедренная в In _0,05 толщиной 10 нм Ga _0,95 Квантовый барьер N (QB). Состав In MQW регулируется и оптимизируется для достижения желаемой длины волны синего излучения. Концентрация легирования n -GaN, p -AlGaN EBL и p -GaN - 2 × 10 ¹⁸ см ⁻³ , 3 × 10 ¹⁸ см ⁻³ , и 1 × 10 ¹⁹ см ⁻³ соответственно.

Схематическое изображение синего светодиода на основе InGaN / GaN, используемого для моделирования и анализа эффективности светодиода

Оптические и электрические свойства микро-светодиодов численно исследуются с помощью программного обеспечения Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37]. При моделировании предполагается, что 50% плотности заряда интерфейса вызвано спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией [38]. За исключением специально упомянутого, время жизни SRH и коэффициент оже-рекомбинации установлены как 100 нс и 1 × 10 ^–31 см ⁶ s ⁻¹ соответственно [39, 40]. Предполагается, что коэффициент смещения полосы составляет 0,7 / 0,3 [41], эффективность вывода света зафиксирована на уровне 70%, а рабочая температура составляет 300 К. Другие параметры материала, используемые при моделировании, можно найти в [42].

Результаты и обсуждения

Эффективность подключения светодиода к розетке (WPE) может быть выражена следующим образом:

где P _вне обозначает выходную оптическую мощность, I _op - рабочий ток, В напряжение привода, ℏ ω - энергия фотона, а η _{выбрать} - электрический КПД. EQE η _EQE является продуктом эффективности впрыска тока (CIE) η _CIE , IQE η _IQE и эффективность вывода света (LEE) η _ЛИ , как описано в следующем уравнении:

Кроме того, согласно модели ABC [43], η _IQE можно выразить следующим образом:

где R _рад - скорость излучательной рекомбинации, R _SRH - скорость безызлучательной рекомбинации СРГ, а R _Оже - скорость оже-рекомбинации. На рисунке 1 показаны различные виды эффективности и связанные с ними физические механизмы и факторы.

R _рад и CIE должны быть максимизированы, электрический КПД и LEE должны быть улучшены, а SRH и оже-рекомбинация должны быть уменьшены для повышения общей эффективности микро-светодиодов, работающих при низкой плотности тока. Для решения всех этих проблем требуются подходы на системном уровне. За исключением вывода света, эти проблемы будут обсуждаться в следующих разделах, а также будут предложены потенциальные решения для создания эффективной эпитаксиальной структуры микро-светодиода.

QCSE при низкой плотности тока:поле внутренней поляризации

QCSE, индуцированный поляризацией, является одним из доминирующих факторов, ограничивающих IQE нитридных светодиодов [44]. QCSE широко изучался для традиционных крупногабаритных высокомощных светодиодов, но до сих пор не получил достаточного обсуждения в контексте конкретных приложений микро-светодиодов. Поэтому сначала исследуется этот важный эффект. Обсуждаемая здесь активная область микро-светодиода состоит из 5-периодных квантовых ям, что является наиболее часто используемым числом квантовых ям для традиционных нитридных светодиодов.

На рисунке 2а показаны диаграммы энергетических зон и соответствующие волновые функции электронов и дырок первого уровня пятой квантовой ямы при 200 и 0,1 А / см ² . . QB и QW испытывают большой изгиб зоны, что приводит к пространственному разделению электронных и дырочных волновых функций. Кроме того, изгиб ленты сильнее при низкой плотности тока, что указывает на более сильное QCSE. Это явление объясняется слабым эффектом экранирования с меньшим количеством неравновесных носителей при низкой плотности тока инжекции (см. Дополнительный файл 1:Рис. S1a-d и соответствующее обсуждение) [41]. Рисунок 2b показывает, что более серьезный QCSE увеличивает пространственное разделение волновых функций носителей при низкой плотности тока, что приводит к более низкой скорости излучательной рекомбинации. Скорости излучательной рекомбинации и спектры электролюминесценции без и с эффектом поляризации, то есть без и с QCSE, дополнительно рассчитываются, чтобы показать, как разделение электронов и дырок количественно снижает эмиссию при низкой плотности тока. На рис. 2c, d показано, что интегральная интенсивность скорости излучательной рекомбинации и интенсивность электролюминесценции снижаются приблизительно на 84,0% и 72,3% за счет QCSE, соответственно. Эти результаты показывают, что повысить эффективность микро-светодиодов труднее, чем их традиционных высокомощных собратьев, из-за улучшенного QCSE при низкой плотности тока.

а Диаграммы энергетических зон и соответствующие волновые функции электронов и дырок первого уровня пятой квантовой ямы при 200 и 0,1 А / см ² , соответственно. б Расстояние разделения пиков электронных и дырочных волновых функций при 200 и 0,1 А / см ² , соответственно. c Скорости излучательной рекомбинации и d Спектры ЭЛ рассчитаны при 0,1 А / см ² без поляризации и с поляризацией соответственно. е Цветовые точки, создаваемые синим, зеленым и красным светодиодами с плотностью тока от 0,1 до 20 А / см ² нанесено на диаграмму цветности 1931-CIE (x, y)

Более того, точный и стабильный контроль длины волны излучения при различных плотностях инжектируемого тока имеет решающее значение для микро-светодиодных дисплеев, поскольку он определяет различные важные параметры, такие как яркость, точность цветопередачи и насыщенность. Однако более строгий QCSE при низкой плотности тока делает это большой проблемой, особенно для зеленых и красных микро-светодиодов, для которых требуется более высокий состав индия. Как прямой результат увеличенного изгиба полосы в квантовых ямах InGaN с более высоким составом индия и более сильным QCSE, сдвиг длины волны в зависимости от плотности тока становится более выраженным из-за эффекта экранирования. Спектры электролюминесценции красного, зеленого и синего микро-светодиодов на основе InGaN с различной плотностью тока дополнительно рассчитываются, чтобы показать, как сдвиг спектра влияет на цветовые точки на дисплее. Дополнительный файл 1:на рисунке S2 показано, что от 0,1 до 20 А / см ² пики длин волн синего цвета сдвигаются примерно на 15,8, 6,6 и 1,7 нм для красного, зеленого и синего микро-светодиода соответственно. Цветовые точки, созданные путем комбинирования красных, зеленых и синих микро-светодиодов, также вычисляются, как указано в Дополнительном файле 1:Таблица S1. На рисунке 2e показана соответствующая диаграмма цветности 1931-CIE (x, y). Очевидно, что цвет излучения микро-светодиодов RGB сильно изменился с зеленого на сине-зеленый при увеличении плотности тока. Значение x 1931-CIE пересекает значение от 0,1676 до 0,2084, а значение y 1931-CIE пересекает значение от 0,3891 до 0,3106. Это существенное изменение цветовой точки в зависимости от плотности тока значительно ухудшает характеристики микро-светодиодного дисплея.

Во многих отчетах предлагалось несколько подходов к подавлению QCSE, таких как использование ультратонких сверхрешеточных барьеров InGaN / AlGaN [45], МКЯ InGaN / GaN / AlGaN / GaN с межслоевым барьером GaN [46], морщинистые МКЯ [47] и вставка слой снятия натяжения перед МКЯ [48]. Но QCSE индуцируется внутренними свойствами c -плоскостной нитридный материал. Несколько корректировок MQW недостаточны для полного подавления этого эффекта. В последнее время неплохая эффективность была достигнута для неполярных нитридных светодиодов. Если стоимость неполярной подложки GaN может быть снижена, неполярный светодиод может стать идеальным решением для снижения QCSE и реализации стабильного полноцветного излучения [49].

Перевозчик и сопоставление

Электрон ( J _n ) и отверстие ( J _p ) плотность тока можно выразить следующим образом:

где σ _n и σ _p обозначают проводимость, n и p - концентрация, μ _n и μ _p - подвижность электрона и дырки соответственно, а E обозначает электрическое поле. В нитриде концентрация дырок на порядок ниже, чем в электронном [50], а подвижность дырок на два порядка меньше, чем у электронов [51]. Эта асимметрия концентрации и подвижности приводит к несовпадению потока носителей ( J _n > Дж _p ) и ухудшает характеристики светодиода двумя способами.

Текущая эффективность впрыска :Текущая эффективность впрыска η _CIE представляет собой отношение рекомбинационного тока Дж _рекомб к общему току Дж _всего , как следующее уравнение [52]:

Дж _рекомб зависит от меньшего из несущих токов - дырочного тока. Уравнение (6) подтверждает, что несоответствие несущей ( J _n > Дж _p ) ограничивает максимизацию CIE.

Скорость излучательной рекомбинации :Скорость излучательной рекомбинации R _рад описывается золотым правилом Ферми следующим уравнением:

где C постоянная, E _cv энергия перехода, h постоянная Планка, ν _cv - частота генерируемого света, ρ _r - приведенная плотность состояний, f _c и f _v - распределения Ферми – Дирака, а | M _Т | ² - матричный элемент импульса [53]. Меньшее накопление дырок и дополнительных электронов в квантовой яме может привести к расширению кристаллической решетки и увеличению деформации растяжения. При таком изменении напряжения плотности заряда квантовых уровней вокруг максимума валентной зоны снижаются. Это дополнительно снижает вероятность оптического перехода и уменьшает R _рад согласно формуле. (7). Таким образом, несовпадение локальных несущих в одной QW также ограничивает IQE. Более конкретное обсуждение этой темы можно найти в предыдущих отчетах [54,55,56].

В следующих разделах влияние количества QW, p концентрация легирования -типа и структура EBL на транспорте носителей будут проанализированы для определения наилучших условий согласования носителей. Наконец, будет предложена оптимизированная эпитаксиальная структура для эффективного микро-светодиодного дисплея, работающего при низкой плотности тока.

Несоответствие оператора связи в 5QW

Во-первых, моделируются транспортные свойства синего микро-светодиода с 5QW. Распределение концентрации носителей при 200 А / см ² и 0,1 А / см ² проиллюстрированы в Дополнительном файле 1:Рис. S3a и b соответственно. Неоднородное распределение в 5 квантовых ямах наблюдается как при больших, так и при малых плотностях тока. Дополнительный файл 1. На рис. S3c и d показано, что подвижность электронов в МКЯ (684 см ² V ^-1 s ⁻¹ ) на два порядка выше подвижности дырок (10 см ² V ^-1 s ⁻¹ ). Следовательно, электроны могут просто инжектироваться в МКЯ, а затем проходить через них, не участвуя в рекомбинации, что приводит к проблеме утечки электронов и низкому CIE [51].

На рисунке 3а показано распределение плотности тока электронов и дырок при 200 А / см ² . . Общая плотность дырочного тока (217,4 А / см ² ) составляет всего 65,2% электрона (333,3 А / см ² ), что указывает на серьезное несовпадение несущей и низкий CIE. Ток утечки электронов достигает 116,0 А / см ² . , что ухудшает как радиационную эффективность, так и инжекцию дырок. Как показано на рис. 3b, ток утечки электронов составляет всего 0,01 А / см ² . , а вычисленное η _CIE достигает 95% при 0,1 А / см ² . Эти результаты показывают, что достичь высокого CIE легче при низкой плотности тока. Однако, кроме 5-й QW, где J _p может быть равно J _n рассогласование носителей и дополнительное накопление электронов в других четырех квантовых ямах (квантовые ямы 1, 2, 3 и 4) весьма серьезны как при высокой, так и при низкой плотности тока. При 200 А / см ² плотности электронного тока этих четырех квантовых ям в 120, 43, 16 и 5 раз превышают плотность дырочного тока (рис. 3а). При 0,1 А / см ² , они в 23, 9, 4 и 2 раза больше дырочного тока (рис. 3б). На основании уравнения. Согласно (7), это большое рассогласование носителей, очевидно, снижает скорость излучательной рекомбинации этих четырех квантовых ям. Следовательно, скорости излучательной рекомбинации в этих четырех квантовых ямах составляют примерно 3,4%, 4,0%, 10,1% и 34,2% при 200 А / см ² . и 11,3%, 10,1%, 10,7% и 21,2% при 0,1 А / см ² по сравнению с 5-й QW. Несоответствие несущих и низкое излучение в конечном итоге снижают монолитную эффективность микро-светодиода.

Распределение несущего тока светодиода с 5QW a при 200 А / см ² и b при 0,1 А / см ² . Скорости излучательной рекомбинации светодиодов с 5QW c при 200 А / см ² и d при 0,1 А / см ²

Факторы, влияющие на транспортировку и сопоставление перевозчика

Номер QW :Для традиционных светодиодов большого размера, работающих при высокой плотности тока, необходимо использовать MQW с 5, даже 8 или 10 периодами для достижения высокой оптической выходной мощности. Однако для светодиодного излучающего дисплея выходная мощность намного меньше, а плотность рабочего тока намного ниже. Как обсуждалось в предыдущем разделе, даже при низкой плотности тока несовпадение несущих остается довольно серьезным в 5QW, и только одна QW может обеспечить наилучшее согласование. С этой точки зрения, для микро-светодиода, работающего при низкой плотности тока, активная область с меньшим количеством квантовых ям должна быть лучшей конструкцией для повышения эффективности за счет улучшенного согласования несущих.

Чтобы проверить наше предположение, исследуется влияние числа квантовой ямы на микросветодиоды. На рис. 4a – f показаны плотность тока носителей и скорость излучательной рекомбинации при 0,1 А / см ² . светодиодов с 3QW, 2QW и 1QW соответственно. Текущие кривые имеют только одну точку пересечения (одна точка наилучшего соответствия несущей, J _n = Дж _p ) из-за тенденции к монотонному уменьшению тока, но с меньшим количеством квантовых ям, как в случаях с 3 и 2 квантовыми ямами, две точки пересечения могут быть достигнуты в двух разных квантовых ямах (рис. 4a, b). Другими словами, несовпадение несущих в MQW можно частично преодолеть с помощью меньшего количества QW. Идеальное согласование потока носителей может быть достигнуто во всех двух квантовых ямах, особенно для 2QW, при соответствующей настройке. Скорость излучательной рекомбинации также выше в 2QW, чем в 3QW и 5QW, потому что потребление носителей за счет излучательной рекомбинации больше сосредоточено в активной области с меньшим количеством QW (рис. 3d, 4d, e). Несомненно, лучшее согласование носителей происходит в светодиодах только с одной квантовой ямой, и скорость излучательной рекомбинации также самая высокая для 1QW, как показано на рис. 4c, f.

Распределение несущего тока светодиода с a 3QWs, b 2QWs и c 1QW при 0,1 А / см ² . Скорости излучательной рекомбинации светодиода с d 3QWs, e 2QWs и f 1QW при 0,1 А / см ²

На рис. 5а, б показан IQE как функция плотности тока от 0 до 200 А / см ² . и от 0 до 10 А / см ² , соответственно. Для плотности тока более 50 А / см ² , IQE уменьшается при уменьшении количества QW. Напротив, IQE с плотностью тока ниже примерно 30 А / см ² увеличивается при уменьшении количества QW. При 0,1 А / см ² , Значения IQE для 8, 5, 3, 2 и 1 квантовых ям составляют 55%, 62%, 69%, 77% и 78% соответственно. Более того, как показано на рис. 5b, положение пика IQE также сдвигается с 6,0 А / см ² . в 8 квантовых ямах до самой низкой плотности тока примерно 1,2 А / см ² в 2QWs. Кривые IQE при низкой плотности тока (<1 А / см ² ) также становятся круче и резче с меньшим числом QW, что указывает на то, что достижение максимальной эффективности проще и быстрее. Это весьма полезно для повышения эффективности при низкой плотности тока. Физический механизм, лежащий в основе этой тенденции IQE, можно объяснить лучшим согласованием потока носителей и более концентрированным, более сильным излучением в активной области с меньшим числом квантовых ям. Как показано на рис. 5c, по сравнению с 8 квантовыми ямами интегральная интенсивность ЭЛ 5, 3, 2 и 1 квантовых ям при 0,1 А / см ² увеличились примерно на 6,1%, 14,8%, 28,4% и 32,1% соответственно. Этот результат подтверждает, что не только эффективность, но и выходная мощность улучшаются при меньшем количестве квантовых ям.

а Кривые IQE и b Кривые IQE при низкой плотности тока светодиода с 8, 5, 3, 2 и 1 квантовыми ямами. c Спектры ЭЛ светодиодов с 8, 5, 3, 2 и 1 квантовыми ямами при 0,1 А / см ²

Результаты моделирования показывают, что 1QW имеет наивысшую электрическую интенсивность и, возможно, лучшую структуру для микро-светодиодов, работающих при низкой плотности тока. Однако экспериментально сложно эпитаксиально вырастить только одну квантовую яму с плоской поверхностью и острой границей раздела. Более того, для структуры 1QW положение пика IQE немного увеличивается до 2,9 А / см ² , а также немного изменилась форма кривой IQE. Это можно объяснить особенностями одиночной КЯ. По сравнению с другими КЯ, КЯ, примыкающая к ЭПС, имеет особую поляризационную среду и считается «проблемной КЯ». Более подробно эта тема будет рассмотрена в разделе AlGaN EBL . . Учитывая эти причины, 2QW должны быть лучшей конструкцией активной области, которая имеет такое же хорошее соответствие потока носителей, близкое значение IQE и интенсивность EL к 1QW. Поэтому в следующих разделах все моделирование основано на микро-светодиодах с 2QW.

Концентрация легирования P-GaN :Производительность светодиодов 2QW с разными p концентрации легирования в p -GaN еще исследуется. Как показано на рис. 6а, когда концентрация легирования p -GaN увеличивается с 1 × 10 ¹⁸ см ⁻³ до 5 × 10 ¹⁹ см ⁻³ , скорости излучательной рекомбинации при 0,1 А / см ² далее увеличивается примерно на 3,1% и 3,0% для двух квантовых ям. На рисунке 6b показано, что общая плотность дырочного тока увеличивается с 0,157 до 0,162 А / см ² . при этом плотность тока утечки электронов снижена с 0,009 до 0,005 А / см ² с увеличением концентрации легирования. Стоит отметить, что ток рекомбинации в КЯ около n -сайд выше, чем QW около p -сторона (рис. 6б). Следовательно, скорость излучательной рекомбинации вблизи n -сайд QW также немного выше, чем у p -сайд QW. As shown in Fig. 6c, one can find that the energy barrier for carriers in EBL, which is defined as the energy distance between the electron/hole quasi-Fermi level and the highest conduction band or lowest valence band, are almost unchanged under differnt doping concentration of p -GaN, that is, the hole injection is not improved by increasing doping concentration. Figure 6d shows the average hole concentration in the p -GaN and QWs. The hole concentration in the p -GaN is almost exponentially dependent on the doping concentration. Inside the QWs, the hole concentration is increased approximately twice from 1.59 × 10 ¹⁹ см ⁻³ to 3.08 × 10 ¹⁹ см ⁻³ with a higher doping concentration. These results indicate that the increased hole concentration is the main contribution for the improvement of radiative recombination. Therefore, even at low current density, the p -type doping problem of nitride remains notable, and enhancing the doping efficiency and hole concentration is still beneficial for the efficiency of micro-LED.

а Radiative recombination rates of 2QWs LED with various doping concentrations in p-GaN. б Carrier current distribution with different doping concentrations in p -GaN. c Enlarged energy band diagrams of EBL with different doping concentrations in p -GaN. г Average hole concentration in p -GaN and QWs with various doping concentrations of p -GaN

AlGaN EBL :In the last decades, a 10–20 nm p -type AlGaN EBL has become a standard structure for traditional nitride-based LEDs. This EBL is considered to block the electron leakage and suppress the efficiency droop under high injected current density. In spite of this, it is worth noting that the EBL is still a very complicated, subtle structure for the LED. It involves many important factors, including Al composition, p -type doping efficiency of AlGaN, band offset ratios, and polarization effect. Each of them can influence the band structure and carrier transport substantially, then determines the effectiveness of EBL. For the construction of EBL, thickness, composition, and doping concentration must be considered and optimized carefully to balance the enhancement of electron confinement and the blocking of hole injection, otherwise, the opposite may happen, and the performance of LED might deteriorate. For micro-LED, the effectiveness of EBL for operating at low current density must be reconsidered, which may be different with the case of traditional high input/output LED.

a. Doping concentration of EBL :First, the effect of EBL doping concentration on carrier transport at low current density is investigated. The thickness and Al composition of EBL are fixed as 20 nm and 0.15, respectively. Considering the low solubility of Mg dopant in AlGaN, the crystal degradation, and compensation effect by over-doping [50], the doping concentration of EBL is first set as be 3 × 10 ¹⁸ см ⁻³ . Figure 7a shows the corresponding energy band structure. Clearly, despite the existence of EBL, the electron leakage out of the QW still can be caused by the insufficient electron confinement due to the downward bending of the last QW and EBL. A new energy valley under the electron quasi-Fermi level appears at the interface of last QB and EBL. Thus, electrons would escape from QW and accumulate in this area. This distortion of band structure makes the EBL relatively ineffective, and it can be contributed to the polarization effect. As shown in Fig. 7c, the strong polarization induces a large amount of charges at the interfaces. Due to the unbalanced polarization charges are positive at the interface of the last QB/EBL, a large electrostatic field pointing from the p -side to the n -side builds up in the last QB, which is opposite to the fields in other QBs and EBL. These electrostatic fields pull down the energy band of the last QB and EBL. Moreover, the electric fields in the last QW and last QB both can attract electrons and drive them out of the active region into the p -layer. This can be observed in the carrier concentration diagram, as shown in Fig. 7d. The dotted black line indicates that a part of the electrons escape from the active region and accumulate at the interface of last QB/EBL. In the EBL and p -GaN, the leakage electron remains relatively high.

Energy band diagrams of 2QWs LED with a 3 × 10 ¹⁸ см ⁻³ и b 6 × 10 ¹⁹ см ⁻³ doping concentration in AlGaN EBL. c Space charge density and d carrier concentration distribution of 2QWs LED with 3 × 10 ¹⁸ and 6 × 10 ¹⁹ см ⁻³ doping concentration of EBL. The inset of c shows the direction of polarization fields

On the other hand, the EBL also introduces a potential barrier as high as 480 meV for hole injection. Moreover, as shown in Fig. 7a, c, an energy valley close to the hole quasi-Fermi level appears at the interface region between the EBL/p -GaN due to the polarization effect. As indicated by the solid black line of Fig. 7d, most of the holes are blocked by the EBL and thus, accumulate at the energy valley of the EBL/p -GaN interface. Owing to this inefficient carrier transport, the last QW is considered as a “problem QW,” and the EBL only has a low capability for electron confinement, and should be responsible for the poor hole injection. Compared with the traditional high input/output LED, this polarization induced ineffectiveness of the EBL function could be particularly severe for the micro-LED due to the enhanced polarization effect by less carrier screening at low current density.

Band engineering by increasing the doping concentration of EBL is a possible method to improve the electron confinement and hole injection. The activation energy of Mg dopant in AlGaN EBL is higher than GaN, therefore, even under a similar doping concentration, the active hole concentration in EBL remains much lower than p -GaN. The lower hole concentration could further separate the hole quasi-Fermi level and valence band, then increase barrier height. Based on this analysis, the doping concentration of EBL needs to be much higher than p -GaN. Considering the doping limitation in actual experiment, 6 × 10 ¹⁹ см ⁻³ is selected as a new doping concentration in the EBL. As shown in Fig. 7b, by increasing the doping concentration, the valence band of EBL is lifted due to the alignment of hole quasi-Fermi level, resulting in a reduced hole energy barrier of 281 meV. Moreover, the high p -type doping also helps lower the electron quasi-Fermi level with respect to the conduction band in EBL, hence increasing the effect barrier for electron leakage to 1175 meV. These changes improve electron confinement and hole injection. Figure 7d shows that compared with the doping concentration of 3 × 10 ¹⁸ см ⁻³ , the hole concentration in the active region is greatly increased, and the leakage electron in the EBL and p -GaN is reduced to almost zero. However, the energy valley at the interface between the EBL/p -GaN still exists. Moreover, the upward of valence band also introduces a new energy valley for the hole accumulation at the interface between the last QB/EBL, which can be confirmed by the hole concentration distribution in Fig. 7d. These energy valleys can impede the hole injection into QWs, hence compensating the advantage of high doping concentration.

b. Al composition of EBL :Compared with the increase of doping concentration, reducing the composition of AlGaN EBL may be an easier, more efficient method to improve the carrier transport at low current density. The effectiveness of EBL is sensitively dependent on Al composition, band offset, and polarization effect. Increasing the Al composition of EBL can increase the band offset between the last QB/EBL, which increases the electron barrier height. However, as shown in Fig. 8a, the polarization-induced charges at the interfaces also increase accordingly, which pull down the electron barrier height. Two mechanisms have the opposite effect for confining electrons.

а Space charge density distribution of 2QWs LED with different EBL. The inset shows the direction of polarization field. Energy band diagrams of 2QWs LED b with Al_0.1 Ga_0.9 N EBL and c without EBL. г Carrier concentration distribution, e carrier current density, f IQE and g EL spectra of 2QWs LED with different EBL. The inset of g shows the working voltages at 0.1 and 1 A/cm ² with different EBLs

Based on this analysis, the carrier transport of 2QWs micro-LEDs with different EBL structures at 200 and 0.1 A/cm ² are investigated. The result of effective energy barrier heights of different EBL are summarized in Table 1. First of all, both the electron and hole energy barriers at low current density are much higher than the cases of at high current density due to the lower nonequilibrium carrier population. A higher energy barrier can improve the electron confinement, but also severely impedes the hole injection at low current density. This indicates that the influence of EBL on the carrier transport of micro-LED operating at low current density is much higher than that of the traditional high input/output LED. Table 1 also shows that with a relatively low Al composition in EBL, the electron barrier decreases with Al composition increased, which indicates that the downward of conduction band induced by polarization effect is larger than the increased band offset introduced by the higher Al composition. By further increasing the composition, the electron barrier increases along with composition, meaning that the band offset becomes dominant over the polarization effect. Compared with high current density, this turning point of composition is higher at low current density due to the enhanced polarization effect by less carrier screening. On the other hand, because of the original band offset between the last QB/p -GaN and the band bending, there are energy barriers for electron and holes exist at the interface even without the EBL. At 200 A/cm ² , when the composition is lower than 0.20, the electron energy barrier is lower than the case of without EBL, but the hole barrier is higher approximately 64 meV. At 0.1 A/cm ² , even with composition higher than 0.20, the electron barrier of AlGaN EBL (523 meV) is still 151 meV lower than the case of without EBL (674 meV), but the hole barrier is increased approximately 76 meV from 409 to 485 meV. These results indicate that both the electron confinement and hole injection could be deteriorated by the EBL with an incorrect composition, especially for micro-LED operating at low current density.

For a deep analysis, band structures of micro-LEDs with Al_0.10 Ga_0.90 N EBL and without EBL as representatives are illustrated in Fig. 8b, c. The EBL introduces two energy valleys at the interface of last QB/EBL and EBL/p -GaN for electron and hole accumulation, respectively, which can be confirmed by the carrier concentration diagram in Fig. 8d. Therefore, the electron confinement and hole injection are poor for this structure. When the EBL is removed, as shown in Fig. 8c, the energy barrier for electron is increased, and the energy valley for electron extracting and accumulation disappeares. These changes prevent electrons leakage more effectively, as confirmed in Fig. 8d. Meanwhile, the barrier height for hole injection is reduced, and the energy valley at the EBL/p-GaN interface is also removed. So, the hole can transport directly into the QW without facing large obstacle, as shown in Fig. 8c, d.

The above careful investigation suggests that without EBL may be a better structure for the micro-LED operating at low current density. Simulation results support our suggestion. Figure 8e illustrates the carrier current density at 0.1 A/cm ² with different EBL structures. When the Al composition of the EBL is reduced from 0.15 to 0.04, the total electron and hole current densities increase from 0.167 and 0.159 A/cm ² to 0.225 and 0.225 A/cm ² , соответственно. Moreover, when the EBL is completely removed, both the total electron and total hole current densities greatly increase to 0.528 A/cm ² , which is approximately 3 times higher compared with the Al_0.15 Ga_0.85 N EBL. This enhancement is contributed to the improved electron confinement and hole injection.

Figure 8f shows the IQE curves at low current density. When the Al composition of EBL is reduced from 0.15 to 0.04, the IQE values increase evidently due to the improved carrier transport. However, by removing the EBL, the IQE value experiences a slight decrease compared with Al_0.04 Ga_0.96 N EBL. This can be explained by the carrier matching in two QWs. As indicated by the green arrows in Fig. 8e, a, perfect carrier matching occurred in both the two QWs with Al_0.04 Ga_0.96 N EBL. With the increase of current density by removing EBL, the matching of electron and hole flux has been slightly broken in the first QW, where the electron current density is slightly higher than the hole. Therefore, the IQE is slightly reduced because of this carrier mis-matching in one QW.

The superiority of micro-LED without EBL is still remarkable due to the improved carrier transport. As shown in Fig. 8g, at 0.1 A/cm ² , the integral EL intensities of micro-LED without EBL are 3.53, 3.23, and 2.38 times higher compared with the LED with Al_0.15 Ga_0.85 N, Al_0.10 Ga_0.90 N and Al_0.04 Ga_0.96 N EBL, respectively. Moreover, as shown in the inset of Fig. 8g, the working voltages under 1 A/cm ² and 0.1 A/cm ² are reduced about 0.53 V and 0.57 V by removing the EBL, respectively. This improves the electrical efficiency, then finally increases the WPE of micro-LED. To further confirm that the EBL-free structure is a better design for micro-LED operating at low current density, another simulation is performed using the reported blue micro-LED structure with maximal known efficiency. The results and discussions can be found in the Supporting Materials (Additional file 1:Fig. S4a-d).

Optimized Structure for Micro-LED Operating at Low Current Density

Based on above simulation and analysis, the optimized epitaxial structure specifically designed for the efficient micro-LED emissive display operating at low current density is proposed, as shown in Fig. 9. Three principles must be followed. First, in contrast to the traditional large-size high-power nitride LED, the QW number of micro-LED should be reduced to just two, which has a better condition for the carrier matching, a more concentrated radiative emission, and higher IQE and WPE. Second, the p -type doing still needs to be enhanced due to the relatively low hole concentration and mobility compared with the electron in nitride, which demands a more efficient p -type doping strategy. Third, to improve the carrier transport and matching, the doping concentration of AlGaN EBL should be greatly enhanced, or the AlGaN EBL can be completely removed. Without using the AlGaN EBL, the electron confinement, hole injection, carrier matching, IQE, and WPE of the micro-LED can be greatly improved at low current density.

Schematic illustration of the optimized epitaxial structure designed specifically for the micro-LED emissive displays operating at low current density

Auger Recombination and SRH Non-radiative Recombination

Based on Eq. (3), except for radiative recombination, the SRH and Auger recombination also play critical roles in the IQE of LED. Hence, it is important to investigate the effects and mechanism regarding the SRH and Auger recombination for the micro-LED. In this part, the LED structure with 2QWs is still used, and all the simulation parameters are the same as mentioned in the Methods except for SRH lifetimes.

Negligible Auger and Prominent SRH Recombination

The SRH recombination rate can be expressed as follows [57]:

where n _я is the intrinsic carrier concentration, τ _p и τ _n are the hole and electron SRH lifetimes, respectively, E _T is the energy difference between the trap level and the intrinsic Fermi level, c _p and c _n are the capture coefficients for electron and hole, N _т is the trap density, σ _p and σ _n are capture cross sections for electron and hole, and ν _p and ν _n are the average thermal velocities of electron and hole, respectively. According to Eqs. (8)-(10), the SRH recombination of a trap is completely specified by its density, capture cross sections and energy level.

The Auger recombination rate is given by the following:

where C _n and C _p are the Auger recombination coefficients.

Given that the injected hole and electron concentrations are much higher than the intrinsic carrier concentration in the undoped QWs (according to simulation result, the highest carrier concentration in QW is only approximately 10 ⁷ см ⁻³ in the absence of externally injected current), the SRH and Auger recombination rate can be further simplified as the following equations:

Equations (12) and (13) clearly show that R _SRH is in direct proportion to the first power of the carrier concentration, but R _Auger depends on the third power of the carrier concentration, that is, R _SRH is sensitive to low current density, while the R _Auger is more dominant at high current density.

This theoretical analysis agrees with our simulation results. Figure 10a, b shows the calculated radiative, SRH, and Auger recombination rates at 200 and 0.1 A/cm ² , соответственно. At high current density, the Auger recombination rate (about 0.8–1.4 × 10 ²⁹ см ⁻³ s ⁻¹ ) is comparable wiht the radiative rate (about 4.2–6.0 × 10 ²⁹ см ⁻³ s ⁻¹ ). In fact, the substantial problem of efficiency droop at high drive currents is now widely acknowledged as caused by the Auger recombination [20]. While, at low current density, relatively, the Auger recombination rate dramatically decreases to two orders of magnitude lower (about 6.3–7.2 × 10 ²² см ⁻³ s ⁻¹ ) than the radiative recombination (about 3.7–4.0 × 10 ²⁴ см ⁻³ s ⁻¹ ). Therefore, the Auger recombination should be negligible at low current density. Conversely, with the decrease of current density, the SRH recombination rate relatively increases from a small value at 200 A/cm ² (two orders of magnitude lower than radiative recombination) to a level comparable with the radiative emission at 0.1 A/cm ² . As a result, the micro-LED operating at low current density requires improvement in the SRH or defect recombination instead of the Auger recombination.

Radiative, SRH, and Auger recombination rates of 2QWs LED a at 200 A/cm ² и b at 0.1 A/cm ² . c SRH/Radiative ratio with various SRH lifetimes at 200 and 0.1 A/cm ² . г IQE values at 200 and 0.1 A/cm ² , e IQE curves with large current density and f IQE curves with low current density at various SRH lifetimes

Requirement for Low Defect Density

According to Eq. (9), SRH lifetimes, τ _p и τ _n , are in inverse proportion to the density of defects N _т . Therefore, the effect of defect density can be estimated by simply changing the SRH lifetime in the simulation. Figure 10c shows the calculated ratio of SRH/radiative recombination rate at various SRH lifetimes. With the decrease of SRH lifetimes from 150 to 50 ns, i.e., the increase of defect density, the SRH/radiative ratio slightly increases from 0.01 to 0.03 at 200 A/cm ² , but greatly increases from 0.15 to 0.43 at 0.1 A/cm ² . This means that a much larger percentage of carriers is consumed by the trapping defects at low current density. Therefore the efficiency is much more sensitive to the defect density at low current than high current density. The IQE results as shown in Fig. 10d, e confirm this trend. With the decrease of SRH lifetimes from 150 to 50 ns, IQE only decreases about 0.01 at 200 A/cm ² , but dramatically decreases about 0.17 at 0.1 A/cm ² . Moreover, as shown in Fig. 10f, with the decrease of SRH lifetime, the position of peak IQE also moves from 3.1 A/cm ² to a higher current density of 9.0 A/cm ² , and the IQE curves become less steep and sharp, which means that the threshold/onset current is increased. This is disadvantageous for improving the efficiency of micro-LED at low current density.

Compared with the traditional large-size high-power LED working at high current density, the micro-LED operating at low current density is much more sensitive to defect density, and minimizing the defect recombination is of paramount importance for achieving a high efficiency. Therefore, the micro-LED requires a much more higher crystal quality of materials than the traditional LED, and poses large challenges for the epitaxial growth of the material and the fabrication of the device for the community.

Выводы

In summary, the operating behaviors, mechanisms and conditions of InGaN micro-LED operating at low current density are numerically investigated, and an optimized epitaxial structure specifically designed for the micro-LED display is proposed. Analysis of the polarization effect shows that micro-LED suffers a severer QCSE at low current density. Hence, improving the efficiency and controlling the emission color point are more difficult. Carrier transport and matching are analyzed to determine the operating conditions of micro-LED. It is shown that less QW number can improves the carreir matching and leads to higher efficiency and output power at low current density. Effectiveness of the EBL for micro-LED is analyzed, and electron confinement and hole injection are found to be improved simultaneously at low current density by removing the EBL. Moreover, simulaiton has shown that the Auger recombination is negligible, but the SRH recombination greatly influences the efficiency of micro-LED at low current density, which has raised higher requirements for the crystal quality of materials and the fabrication process of devices. Our numerical study can provide valuable guidance for creating efficient micro-LED display and promote future research in this area.

Доступность данных и материалов

The data and the analysis in the current work are available from the corresponding authors on reasonable request.

Сокращения

Micro-LED:

Micro-light-emitting-diode

QCSE:

Quantum-confined Stark effect

EBL:

Electron blocking layer

SRH:

Shockley–Read–Hall

LCD:

Liquid–crystal display

OLED:

Organic light-emitting diode

TV:

Televisions

VR:

Virtual reality

AR:

Augmented reality

QW:

Квантовая яма

MQW:

Множественные квантовые ямы

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

IQE:

Внутренняя квантовая эффективность

QB:

Quantum barrier

WPE:

Wall-plug efficiency

CIE:

Current injection efficiency

LEE:

Эффективность отвода света