近日，中科院長春光機所應用光學國家重點實驗室研究團隊發現，隨著尺寸的減小，Micro-LED芯片的外量子效率有所下降，但可承受的最大電流密度增加，高注入電流下散熱性改善，且中心波長隨注入電流的偏移減小，這說明小尺寸Micro-LED具有更好的電流擴展性能和散熱性能。以上研究工作以《Size effects of AlGaInP red vertical micro-LEDs on silicon substrate》為題發表在Results in Physics上，樊凱莉博士為文章的第一作者，梁靜秋研究員和王維彪研究員為文章的共同通訊作者。
 

Micro-LEDs由于其優越的性能被應用于微型顯示器、可見光通信、光學生物芯片、可穿戴設備和生物傳感器等諸多領域。獲得高分辨率和高像素密度是使用 micro-LED 陣列顯示器的關鍵技術挑戰之一，因為它需要越來越小的芯片尺寸和像素間距。由于尺寸縮小，芯片的周長面積比增大，導致側壁的表面復合增多，非輻射復合速率變大，從而導致效率下降。而器件制備過程中的ICP刻蝕，則加重了側壁缺陷。另外，對于磷化Micro-LED，在較高的驅動電流下，熱刺激LED的多量子阱有源區和電子阻擋層中的注入電子泄漏到LED結構的p側，導致效率下降，即efficiency droop現象。因此，LED的散熱性能對于磷化LED格外重要。

圖1 Si襯底上紅色垂直micro-LED的工藝流程。

本文采用低損傷刻蝕技術減小LED芯片側壁缺陷，并采用散熱性能更好的硅襯底代替GaAs襯底，即改善了LED芯片的散熱性，又避免GaAs襯底對紅光的吸收。實驗結果表明，隨著尺寸的減小，Micro-LED芯片的外量子效率有所下降，但可承受的最大電流密度增加，高注入電流下散熱性改善，且中心波長隨注入電流的偏移減小。

圖2 (a)不同芯片尺寸下的電流-電壓特性。(b)不同芯片尺寸的電流密度-電壓特性。(c)電壓和電流密度與芯片尺寸的關系。(d)不同芯片尺寸下理想系數對電流密度的影。
 

值得注意的是，對于不同尺寸的芯片，測量到的局部最小理想因子均為2.3。這表明通過側壁處理可以緩解由于工藝技術原因引起的的尺寸效應。

圖3 (a)五種芯片尺寸的電致發光圖像。(b)不同芯片尺寸的光輸出功率特性。
 

在電流密度不變的情況下，較小的micro-LED芯片的邊緣更亮，這是因為較小的micro-LED芯片的電流擴展長度相對較大，導致邊界處的電流密度較高。
 

綜上，這種采用低損傷刻蝕技術的硅襯底AlGaInP紅光micro-LED可以緩解由于工藝技術原因引起的的尺寸效應，這些實驗結果為研究和制備小尺寸Micro-LED以及獲得高分辨率的Micro-LED顯示技術提供了新思路。該工作得到了國家重點研發計劃、吉林省科技發展計劃及應用光學國家重點實驗室自主基金等項目的支持。