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10×10深紫外发光MicroLED阵列

MicroLED.cn 技术文章 2022-03-28 22:16:04 31484 0 | 文章出自:proquest MicroLED

摘要:在这项工作中,我们设计并制作了一个由10×10个微型LED(μ-LED)组成的深紫外(DUV)发光阵列,每个器件 的直径为20μm。引人注目的是,与发光面积与阵列相同的传统大型LED芯片相比,在100mA的注入电流下,该阵列的总 光输出功率显著提高了近52%。μ-LED阵列还实现了高得多(~22%)的峰值外部量子效率以及较小的效率下降。数值计 算表明,性能的提升可归因于每个μ-LED边缘较高的光提取效率。此外,远场方向图测量表明,μ-LED阵列具有更好的 前向发射方向性。这些发现有助于提高DUV LED的性能,并为控制μ-LED的光行为提供了新的见解。 关键词:AlGaN;深紫外线;微LED阵列;光提取效率 引用:H B Yu,M H Memon,H F Jia,H C Zhang,M Tian,S Fang,D H Wang,Y Kang,S D Xiao和H D Sun, 10×10深紫外发光微LED阵列[J]。J.Semicond.,2022

余华斌、Muhammad Hunain Memon、贾洪峰、张浩晨、蒙田、施方、王丹浩、杨康、肖书丹和孙海丁† 中国科学技术大学微电子学院,合肥230026

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1. 介绍 AlGaN基深紫外发光二极管(LED)由于发射波段窄、无 毒、功耗低、体积小、寿命长[,已被确定为下一代深紫外 光源。1, 2]。到目前为止,由于其潜在的应用,包括非视线 光学通信、传感系统、消毒和医学光疗[,它们已经引起了 人们极大的研究兴趣。3]。然而,DUV LED在这些工业应用 中的实现受到其有限的墙壁插头效率(WPE)、差的外部量 子效率(EQE)和低的光输出功率(LOP)[的限制。4]。DUV  LED的不良光学性能的主要限制因素之一是极低的光提取效 率(Lee),其小于10%[。2]。如此低的Lee主要有三个原因。 首先,大量向上行进的DUV光子可以被p型GaN基空穴注入层 吸收或者可以被p型接触金属[阻挡。5]。其次,由于多层氮 化物外延层、AlGaN/蓝宝石和蓝宝石/空气界面[的折射率差 异过大,大部分向下传播的DUV光子不断地被反射。6]。第 三,与可见光LED不同,DUV LED基于具有高铝含量的AlGaN 材料,导致增加的横磁/横电(TM/TE)极化比[。7]。由于传 播方向垂直于c轴,因此面内TM光子极难被提取到外部空间[。 8]. 为了扩大Lee,许多努力一直致力于在DUV LED芯片中 提取更多的UV光子。用于提取那些向上行进的DUV 通信:H D Sun,haiding@ustc.edu.cn 2021年11月29日收到; 2021年12月23日修订。 © 2022中国电子学会 光子,许多策略,如高反射率金属接触[9, 10],网状p-GaN结 构[11, 12]和光子晶体结构[13]已报告。此外,各种微/纳米结 构,包括纳米透镜[6, 14, 15],图案化的蓝宝石衬底[16, 17, 18, 19] 和局域表面等离子体激元[20],已经被证明用于减少全内反 射(TIR)[21],其可以帮助提取在DUV LED中向下行进的DUV 光子。此外,角度[的优化22],几何形状[23]和侧壁的反射器 [24, 25]也被研究以增强到达芯片侧壁的TM偏振光的发射。 除了这些重要的研究之外,新兴的DUV Micro-LED (μ-LED)器件架构和初步的器件表征显示了其增强 EQE[的潜力26],这可以归因于最近的阴极发光研究[所揭 示的侧向传播光子的再吸收的减少27]。然而,应该注意 的是,由于发射面积的减少,每个μ-LED不可避免地具 有非常低的LOP,这严重阻碍了它们的进一步应用。因此, 需要构建互连的DUVμ-LED以获得大的输出功率,称为μ LED阵列。最近,Floyd等人发现DUVμ-LED阵列结构可以 显著降低每个μ-LED的热阻,从而增强侧壁向外辐射的 自生热[。28]。然而,到目前为止,这些μ-LED阵列的性 能增强的潜在机制仍然缺乏,并且没有对每个μ-LED及 其阵列内的光传播进行系统的研究,特别是从光学角度。 在这封信中,我们提出了一个系统的研究电气- Al和发光阵列的光学行为。我们设计并制作了两种阵列。 一个阵列由10×10μ-LED组成,每个器件的直径为20μm, 称为μ-LED阵列(20μm);另一个阵列由4×4μ-LED组成, 每个器件的直径为50μm。

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图1.(彩色在线)(a)制造的DUVμ-LED阵列的示意图和(B)DUVμ-LED阵列的横截面和(C)侧壁的轮廓,θ是侧壁的倾斜角。 命名为μ-LED阵列(50μm)。同时,我们制作了一种常规 LED(C-LED),其表面发射面积与这两种类型的阵列相同。 在器件测试过程中,我们发现μ-LED阵列的EQE、WPE和LOP 性能显著提高,这是由于每个μ-LED中的Lee增大,而芯片 尺寸较小。为了更好地理解不同芯片尺寸的LED芯片中的光 传播行为,并揭示μ-LED中Lee增强的潜在机制,进行了数 值时域有限差分(FDTD)计算。 2. 实验 与我们之前的报告[类似26],用于我们的DUV LED的外 延结构由在c面蓝宝石衬底上的2μm厚的AlN缓冲层、2μ m厚的n掺杂Al0.6Ga0.4N层、0.6μm厚的n掺杂Al0.48Ga0.52N层、 接着是五个周期的Al0.45Ga0.55N/Al0.60GaN0.40N(2.5nm/10nm) MQW50nm厚的p掺杂的Al0.70Ga0.30N电子阻挡层和350nm厚的 p-GaN。使用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备将晶片 制作成截锥形有源台面。C-LED的发射区域直径为200μm。 4×4和10×10μ-LED阵列的芯片直径分别为50μm和20μ m。我们打算为这三种器件保持相同的总发射面积,以便 进行性能比较。然后,通过电子束蒸发器沉积作为n电极 的Ti/Al/Ni/Au(20/80/40/100nm )和 作为p 型接 触 的 Ni/Au(20/50nm)的金属叠层。 通过使用等离子体增强 化学气相沉积(PECVD)沉积800nm厚的SiO2膜作为电绝缘 层。接下来,首先通过反应离子蚀刻(RIE)蚀刻n-和p- 电极上的SiO2膜,并且 然后通过缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)。最后,通过电子束蒸 发器形成Ni/Al/Ni/Au(20/500/100/120nm)金属接触。μ- LED阵列及其横截面外延结构的示意图如所示无花果。1(a) 和1分别为(B)。 通过原子力显微镜(AFM)表征的侧壁倾斜角约为70°, 如所示图 第1(C)段。在室温下,从蓝宝石的背面(而 不是外延面)测量所有制造的器件的电致发光(EL)光 谱、光输出功率和远场发射。通过在距离LED芯片50mm处 使用功率计在三轴旋转台上以10°的角度步长测量辐射强 度来记录LED的远场发射分布。 3. 结果和讨论 所研究的三种DUV LED的电流–电压(I–V)曲线如所 示图 第2(a)段。μ-LED阵列(50μm)和μ-LED阵列 (20μm)的正向电压略低于C-LED的正向电压,这是由于 并联器件配置中较低的串联电阻和不同的n-接触面积。 图的插图图2(a)显示了正向I-V曲线的对数图。在-4 V 的外加电压下,反向偏压泄漏值低至~0.1 pA,显示了生 长的外延薄膜的高质量和器件在干法刻蚀过程中的低损 伤。值得注意的是,μ-LED阵列的漏电流比C-LED略有增 加,这可能是由于侧壁缺陷可能作为电流泄漏路径[。29]。 的EL光谱三注入电流为100mA的器件如图所示。第2(B) 段。所有器件的峰值波长为~275nm,

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图2.(彩色在线)(a)DUV LED的电流-电压(I-V)特性。插图显示了相应的对数图。(B)在100mA的驱动电流下工作的DUV LED的光谱。

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图3.(彩色在线)(a)光输出功率(LOP),(B)外部量子效率(EQE),(C)壁插式效率,以及(d)三个研究器件在不同电流 下的DUV LED的Lee增强因子。 表明锥形台面尺寸的变化不影响发射波长。阵列的电致 发光强度高于C-LED,而直径较小的μ-LED显示出更高的 电致发光强度,这初步证实了μ-LED阵列的性能增强。 如图6所示,在100mA的注入电流水平下,μLED阵列 (50μm)和μLED阵列(20μm)的LOP分别比C-LED高34%和 52%。值得注意的是,设备的LOP逐渐在- 随着注入电流的增加而增加,但由于电流注入饱和,CLED的LOP在大约100mA(318A/cm2的注入电流密度)时达 到最大值。重要的是,μ-LED阵列可以承受高得多的电 流注入。在μ-LED阵列中,由于μLED是并联连接的,在 总注入电流为100mA的情况下,每个μ-LED仅注入几毫安 的电流,远未达到电流饱和。因此,增强的LOP导致μ- LED阵列(50μm)的EQE显著增加34%,μ-LED阵列的EQE 显著增加.

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图4.(彩色在线)当偶极子源位于(a)台面中心和(B)台面边缘时,TM偏振光的光传播路径的电场分布。对于C-LED、μ-LED(50μm) 和μ-LED(20μm),(C)TE-和(D)TM-偏振光的Lee分别作为偶极光源位置的函数。(C)和(d)的插图是指示偶极子源位置变化的装 置示意图。 (20μm),100 mA时,如所示图3(B)。与C-LED相比,μ- LED阵列(50μm)和μ-LED阵列(20μm)的峰值EQE分别高7% 和22%。我们还量化了注入电流为100 mA时的EQE下垂水平 (下垂定义为从最高到最低),C-LED、μ-LED阵列(50μm) 和μ-LED阵列(20μm)的EQE下垂水平分别为47.2%、34.6% 和34.1%。然后,可以通过[从LOP测量计算LED的WPE值。2], WPE=EQECIE=LOP IV (1) 根据中所示的计算结果图3(C),在100mA下,μ-LED 阵列(50μm)的WPE比CLED高40%,μ-LED阵列(20μm)的 WPE比CLED高57%。由于μ-LED阵列配置中可能具有更高的 电流注入效率(CIE),这种改善略大于100 mA下的EQE 增强(μ-LED阵列(50μm)为34%,μLED阵列(20μm)为 52%)。然而,可以解释的是,WPE的增强主要在于EQE的 有效改善,因为所有三个LED具有相同的内部量子效率 (IQE),因为它们被制造在相同的晶片上。因此,有充 分的理由来解释LOP、EQE和WPE的增强主要归因于Lee的 改进。此外,图 图3(d)显示了Lee增强因子[30]通过μ- LED阵列的EQE与C-的比率获得 LED 。 与 C-LED 相比, μ-LED 阵列( 50μm ) 和 μ-LED 阵 列 (20μm)的Lee分别高约1.3倍和1.5倍。此外,在较高的注 入电流水平下,μ-LED阵列的Lee增强因子更大。这些结果表 明,μ-LED阵列可以有效地改善深紫外LED的Lee。 为了进一步揭示DUVμ-LED阵列光学性能增强的潜在机 制,我们进一步使用FDTD模拟来分析C-LED和μ-LED阵列 的Lee。在模拟中,用作LED的辐射源的单个偶极子位于 MQW层[的中间。31]。此外,在LED周围设置完全匹配层 (PML),可以完全吸收从模拟区域逃逸的光。将功率监测 器放置在距离AlN层底部500nm处,以收集从DUV LED逃逸的 光子。值得注意的是,我们仅在多量子阱(MQW)层中设置 单个偶极子作为辐射源。考虑到TM偏振光和TE偏振光可能共 存的情况,计算了不同台面尺寸的TM偏振光和TE偏振光的 Lee。我们还通过改变偶极子源在装置内的位置来进行Lee计 算。 例如,DUVμ-LED(20μm)的电场分布如所示无花果。 4(a)和4(B)。可以观察到,当偶极子源移动到蓝宝 石的边缘时,更多的DUV光子已经被反射到蓝宝石侧。

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图5.(彩色在线)(a)100 mA下C-LED、μ-LED阵列(50μm)和μ-LED阵列(20μm)的远场图案。(B)远场方向图的发散角。(C)C-LED 和(d)μ-LED阵列中的光传播特性的示意图。 倾斜侧壁。此外,如中所示无花果。 第4(C)段和4(d), 可以发现,当偶极子源移动到台面边缘时,TM和TE偏振光的 Lee增加。因此,我们可以得出结论,μ-LED的增强的Lee主 要得益于侧壁面积与发射面积的比率的增大。器件越小,该 比值越大,最终促进更高的Lee。 此外,我们还记录了C-LED、μ-LED阵列(50μm)和μ- LED阵列(20μm)在100 mA注入电流下的远场辐射方向图, 如图5(a)。与C-LED相比,该阵列在整个角辐射范围内观 察到明显更强的提取光强度。μ-LED阵列(20μm)显示出最 高的光强度。当器件工作电流为100mA时,三种样品的空间 光强均在发射角为0°时达到最大值。在中图 图5(B),远 场图案的发散角,从图5(A),对于C-LED、μ-LED阵列 (50μm)和μ-LED阵列(20μm),分别为113.4°、110.3°和 108.7°。为了更好地解释这一现象,C-LED和μ-LED阵列中的 光传播特性的示意图显示在无花果。 第5(C)段和5(d)。 在C-LED中,严重的TIR会阻挡器件内部向下传播的DUV光子; 同时,横向传播的DUV光子将在~15μm[的传播距离内被重新 吸收27]。相比之下,μ-LED阵列不仅可以缩短横向传播距离.

光子,因此减少了被再吸收的机会,但也可以增加被倾 斜侧壁向下反射的机会。因此,μ-LED阵列以较小的发散 角表现出较高的光强度(光传播更具有前向性)。

4. 结论 总之,我们进行了系统的调查- 关于DUVμLED阵列的电学和光学性能的讨论。与C-LED相 比,DUVμ-LED阵列(20μm)在100 mA时显示出更大的LOP (52%),更高的峰值EQE(22%)和更窄的发散角。此外, 通过数值分析,证实了μ-LED阵列的Lee增大是由于侧壁 的光反射增强以及光子横向传播距离缩短所致。因此, 由于较高的Lee,具有较小像素尺寸的DUVμ-LED阵列应该 表现出更好的光学性能。对于更小的尺寸(例如, 10μm),可以预期更高的Lee。此外,光在μ-LED阵列中 以更好的方向性传播。这些观察提供了对μ-LED阵列中的 光学行为的全面理解,这可以帮助社区为各种应用构建 高效率和高功率的DUV LED。 

致谢 本文得到了国家自然科学基金(批准号:)的资助。 52161145404、61905236、51961145110)、中央高校基础研 究基金(批准号:WK2100230020)、中国科学技术大学双一 流建设研究基金(批准号:YD3480002002),并在USTC微纳 米研究和制造中心进行了部分研究。


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A 10  ×  10 deep ultraviolet light-emitting micro-LED array.pdf


参考文献  

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