隨著Micro LED逐步走近大眾視野，跨越瓶頸問題顯得愈加迫切，其中就包括紅光Micro LED的生產(chǎn)和效率問題。
InGaN材料潛力大，但效率提升仍受限
多項研究表明，基于磷化物結構的紅光LED，外量子效率等性能會隨著芯片尺寸縮小而降低，尤其是當尺寸微縮至10μm以下時，因長載流子擴散長度及側壁高密度表面缺陷，性能損失會更為嚴重。不過，這一難題在近年來接連取得重要突破。
美國加州大學圣塔芭芭拉分校（UCSB）、阿卜杜拉國王科學技術大學（KAUST）、GaN Micro LED材料開發(fā)商Porotech、半導體材料商Soitec、首爾偉傲世、晶能光電等不少全球?qū)W者、研究者和技術開發(fā)商的研發(fā)成果均表明，基于InGaN材料制造的紅光Micro LED擁有更好的性能，在助力實現(xiàn)Micro LED全彩化方面前景可期。
但需要注意的是，現(xiàn)階段紅光Micro LED的效率仍受限，特別是尺寸小于10μm以下的芯片效率還遠遠達不到AR/VR、智能眼鏡、抬頭顯示器等Micro LED終端顯示設備的要求。上述提及的UCSB、KAUST、晶能光電等當下也在積極通過優(yōu)化生產(chǎn)步驟、提升材料質(zhì)量等不同方式來提升外量子效率。
法國團隊開發(fā)新型結構，有助于提升紅光芯片效率
最近，由Soitec與格勒諾布爾-阿爾卑斯大學（Université Grenoble Alpes，UGA）組成的研究團隊在基于隱埋氧化物的InGaN層上采用外延層沉積技術開發(fā)InGaN基紅光LED，相比在傳統(tǒng)襯底生長的紅光LED，產(chǎn)生的應力更少。換句話說，通過減少InGaN層的應力，可以提升InGaN基紅光Micro LED的效率。
據(jù)介紹，這個結構是通過Soitec專有的Smart Cut工藝構成，由于面內(nèi)晶格參數(shù)增高，銦合并能力增強，InGaN量子阱能夠跨越整個可見光光譜范圍。與此同時，InGaN結構還能夠降低器件活動區(qū)的內(nèi)部電場，有利于實現(xiàn)更高的效率。
去年，該法國研究團隊公布了基于InGaN Smart Cut襯底的紅光Micro LED的研究成果，彼時研發(fā)的芯片尺寸范圍為300μm×300μm到50μm×50μm。而最新的研究成果獲得了突破，芯片尺寸縮小至10μm。
在最新研究中，研究者團隊采用兩個變量。一個是銦含量為8%的InGaN種子層，厚度為120nm；另一個是銦含量為11%的InGaN種子層，厚度同樣是120nm。兩種都具有曲面臺階襯底形狀及V形缺陷，缺陷密度及尺寸會隨著銦含量的增加而提高。例如，銦含量增加使得V形凹面的尺寸從3×107cm-2及100nm擴大至2×108cm-2及130nm。
在芯片生產(chǎn)過程中，首先是將襯底裝載在MOCVD反應腔中，再沉積一個包括15周期超晶格的外延堆疊層、一個多量子阱活動區(qū)及一個電子阻擋層。N型In0.03Ga0.97N/GaN為活動區(qū)提供基礎，包含了5層2nm厚的In0.4Ga0.6N量子阱，由7.5nm厚的In0.03Ga0.97N阻擋層隔開。其中，15nm厚的電子阻擋層由Al0.1Ga0.9N制成。用高清透射式電子顯微鏡觀察該異質(zhì)結構，能夠發(fā)現(xiàn)由于局部應力松弛，活動區(qū)及電子阻擋層中有額外的錯位。
此前，研究團隊采用傳統(tǒng)LED芯片制備工藝來生產(chǎn)300μm×300μm至10μm×10μm的LED。而之前制備的器件組合受V形缺陷的限制，即當它們經(jīng)過整個結構時，就會從陽極到陰極之間產(chǎn)生一個電氣通路。為了解決這個問題，用于生產(chǎn)最新一代發(fā)射器的制造工藝包括增加一層保形層，通過化學機械拋光實現(xiàn)平面化。
同時，光致發(fā)光測量表明，襯底中銦含量的提升可推動Micro LED發(fā)射峰從635nm升高至653nm，波長更長，晶格參數(shù)就更高。
光提取效率、工作電壓、晶體質(zhì)量是關鍵影響因素
從終端應用層面來看，Micro LED要在潛力較大的VR/AR顯示器等應用中采用，尺寸需要縮小至10微米以下，且據(jù)UCSB介紹，外量子效率應至少為2%-5%才能滿足Micro LED顯示器的需求。
研究團隊指出，10μm的Micro LED芯片在8A·cm-2條件下，外量子效率最高僅為0.14%，低于UCSB團隊0.2%的研發(fā)成果，而這主要是受光提取效率低的影響。
具體而言，法國研究團隊制備的Micro LED芯片，光從背面收集，但與P型接觸的襯底沒有覆蓋所有頂層的結構，也沒有金屬能夠阻止光從側壁流失。同時，由于經(jīng)過背面的光需穿過超晶格、隱埋氧化物及藍寶石襯底，這一過程也影響了光提取效率。因此，光提取效率的實際數(shù)值難以預估，不過根據(jù)模擬顯示，光提取效率小于4%。
下一步，研究團隊還需努力提升光提取效率、降低工作電壓以及提高LED的晶體質(zhì)量，才能改善Micro LED芯片的性能。盡管提升紅光Micro LED芯片效率道阻且長，但相信在研究團隊和技術開發(fā)商的共同努力下，只要“對癥下藥”，未來終將取得更進一步的勝利。
