近日，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，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(zhǎng)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(kuò)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(fā)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(yōu)越的性能被應(yīng)用于微型顯示器、可見光通信、光學(xué)生物芯片、可穿戴設(shè)備和生物傳感器等諸多領(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)之一，因?yàn)樗枰絹碓叫〉男酒叽绾拖袼亻g距。由于尺寸縮小，芯片的周長(zhǎng)面積比增大，導(dǎo)致側(cè)壁的表面復(fù)合增多，非輻射復(fù)合速率變大，從而導(dǎo)致效率下降。而器件制備過程中的ICP刻蝕，則加重了側(cè)壁缺陷。另外，對(duì)于磷化Micro-LED，在較高的驅(qū)動(dòng)電流下，熱刺激LED的多量子阱有源區(qū)和電子阻擋層中的注入電子泄漏到LED結(jié)構(gòu)的p側(cè)，導(dǎo)致效率下降，即efficiency droop現(xiàn)象。因此，LED的散熱性能對(duì)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(shù)減小LED芯片側(cè)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(duì)紅光的吸收。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)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(guān)系。(d)不同芯片尺寸下理想系數(shù)對(duì)電流密度的影。
 

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

圖3 (a)五種芯片尺寸的電致發(fā)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?yàn)檩^小的micro-LED芯片的電流擴(kuò)展長(zhǎng)度相對(duì)較大，導(dǎo)致邊界處的電流密度較高。
 

綜上，這種采用低損傷刻蝕技術(shù)的硅襯底AlGaInP紅光micro-LED可以緩解由于工藝技術(shù)原因引起的的尺寸效應(yīng)，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)提供了新思路。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、吉林省科技發(fā)展計(jì)劃及應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主基金等項(xiàng)目的支持。