通过减薄量子势垒抑制表面复合提升InGaN/GaN微型LED效率

摘要

InGaN基微型发光二极管（μLED）因高表面积体积比，严重受侧壁缺陷诱导的表面复合困扰；且随芯片尺寸缩小，电流扩散增强进一步限制载流子注入与外量子效率（EQE）。本工作提出通过管理电流扩散效应，降低侧壁缺陷处的非辐射复合率。通过适当减薄量子势垒厚度来降低垂直电阻率，使电流减少向侧壁缺陷的水平扩散，从而减少载流子被表面非辐射复合消耗。计算结果表明，抑制表面非辐射复合可显著改善空穴注入效率。实验制备了基于Si衬底的μLED，实测结果与数值模拟一致：适当减薄量子势垒的μLED，得益于电流扩散减弱与表面非辐射复合降低，EQE获得提升。

引言

III族氮化物LED因高亮度、低功耗、长寿命等优势备受关注。大尺寸InGaN/GaN蓝光LED已商业化，广泛用于固态照明与大尺寸显示。但传统LED调制带宽小，不适合可见光通信（VLC）；大芯片尺寸限制像素容量，不利于手机、可穿戴显示。因此，芯片尺寸<100 μm的InGaN/GaN微型LED（μLED）成为研究热点。然而，干法刻蚀制作 Mesa 结构产生的侧壁缺陷导致非辐射表面复合，引发尺寸依赖性效率下降。Kou等进一步发现，随芯片缩小，空穴更易被缺陷捕获，空穴注入能力恶化。降低侧壁缺陷密度至关重要。常用介质钝化层（PECVD或ALD沉积）钝化侧壁，ALD因层质量更优效果更佳；热退火可进一步降低缺陷密度，甚至6×6 μm² μLED的EQE也能提升。已知芯片尺寸持续减小时，横向电阻降低导致电流扩散增强。本工作提出降低垂直电阻率以将电流限制在 Mesa 内，使载流子远离侧壁缺陷，抑制表面非辐射复合。

为此，我们提出减薄量子势垒厚度以管理能垒与垂直电阻。数值计算显示电流能更好地横向限制在 Mesa 内，减少空穴被表面非辐射复合消耗；降低的表面非辐射复合反过来促进空穴注入（符合前期报告）；减薄的量子势垒还能均匀化多量子阱（MQW）中空穴分布。实验结果证实：减薄量子势垒的μLED显示出改善的EQE。

研究方法与物理模型

为验证所提结构抑制表面复合、促进空穴注入、提升EQE的有效性，设计了不同组μLED，均在[111]取向Si衬底上用MOCVD生长。器件结构：4 μm厚n-GaN（电子浓度5×10¹⁸ cm⁻³）→ 四对In_0.18Ga_0.82N/GaN MQW → 26 nm p-Al_0.15Ga_0.85N电子阻挡层（空穴浓度3×10¹⁷ cm⁻³） → 100 nm p-GaN（空穴浓度3×10¹⁷ cm⁻³） → 20 nm p-GaN覆盖层。芯片尺寸均为10×10 μm²。200 nm ITO作扩流层，500°C退火120 s形成欧姆接触。Ti/Al/Ni/Au合金同步沉积作p/n电极。

器件物理深度分析用APSYS自洽求解漂移-扩散、薛定谔、泊松方程。翻转芯片结构光提取效率设88.1%。InGaN/GaN MQW导带/价带偏移比设70:30。考虑非辐射复合：Auger系数1×10⁻³⁰ cm⁶s⁻¹，SRH载流子寿命100 ns。μLED表面非辐射复合不可忽略：电子陷阱能级E_c−0.24 eV，捕获截面3.4×10⁻¹⁷ cm²，陷阱密度1×10¹³ cm⁻³；空穴陷阱能级E_v+0.46 eV，捕获截面2.1×10⁻¹⁵ cm²，陷阱密度1.6×10¹³ cm⁻³。

结果与讨论

减薄量子势垒实现μLED Mesa区电流更好限制

薄量子势垒有利空穴注入已知，但其是否有助于μLED Mesa内电流限制尚不清。设μLED A、B、C量子势垒厚度分别为6、9、12 nm（表1）。为排除表面复合对载流子分布影响，模拟暂不考虑 Mesa 周边陷阱。图1显示三器件EQE与光功率随注入电流密度变化：40 A/cm²下，A、B、C的EQE分别为28.8%、24.0%、22.2%，势垒越薄性能越优。

图2给出40 A/cm²下MQW区空穴浓度分布：势垒减薄显著提高量子阱内空穴浓度，并改善四个量子阱间空穴分布均匀性，与大尺寸LED中薄势垒促进空穴传输一致。图3a展示最靠近p-EBL的第一量子阱横向空穴分布：空穴浓度随远离p电极横向位置下降。定义空穴下降度为(p_left−p_right)/p_left，A、B、C分别为10.7%、10.3%、9.8%。归一化曲线（图3b）亦显示势垒越薄下降度越大（即横向扩散越弱）。

能带图（图4）显示：势垒减薄降低所有量子势垒的价带势垒高度，利于空穴跨MQW传输（符合图2）。同时，势垒减薄降低垂直电阻率。据Che等报道，垂直电阻降低可抑制横向电流扩散，使电流远离 Mesa 边缘，这与图3a,b吻合。

图5给出 Mesa 边缘SRH复合率与辐射复合率积分比（未考虑表面复合）。比值随势垒增厚而降低，即理想结构下更强电流扩散反而增强边缘辐射复合。但实际μLED存在表面缺陷，过强电流扩散会将载流子推向缺陷区，牺牲辐射复合——下文将结合表面缺陷详细讨论。

薄量子势垒MQW抑制表面复合

为探究表面复合对不同势垒厚度μLED空穴注入的影响，设计μLED I、II、III，MQW结构同A、B、C，但引入侧壁缺陷：距刻蚀边缘0.5 μm区域设为缺陷区。图6显示考虑表面非辐射复合后，光强显著下降，再次确认μLED不可忽略表面复合。同时，EQE与光功率随势垒减薄而提升，最薄势垒的μLED I表现最优。实测μLED I与III的EQE（图6a插图）趋势与模拟一致。实测归一化EL谱（图6b,c）峰值均~450 nm，模型可复现实测谱，验证物理参数（极化强度、In组分等）设置合理。

图7对比中心区（非缺陷区，图7a）与侧壁缺陷区（图7b）空穴浓度：两区均显示薄势垒利于空穴跨MQW传输；但缺陷区空穴注入效率显著低于中心区，符合Kou等结论——必须通过减薄势垒使电流远离缺陷侧壁（见图3a,b）。

图8重复图5分析但含表面复合：Mesa边缘R_SRH/R_rad比值随势垒增厚而增大，归因于表面非辐射复合率显著增强。插图a–c显示侧壁表面非辐射复合极强，甚至压倒辐射复合。厚势垒导致电流扩散至 Mesa 边缘触发表面非辐射复合，验证了核心假设。

结论

本工作通过数值模拟与实验验证，系统阐述了量子势垒厚度对InGaN基μLED空穴注入与电流扩散的影响。减薄量子势垒可实现 Mesa 区更好的电流限制，管理电流扩散远离 Mesa 边缘，从而抑制表面非辐射复合。数值与实验均观测到适当减薄量子势垒的InGaN μLED外量子效率提升。该方法有望突破高性能μLED发展的瓶颈，且本工作呈现的器件物理机制将加深对InGaN μLED的理解。

数据与材料可用性

本工作数据与分析可向通讯作者合理请求获取。

缩写

μLEDs:

微型发光二极管

EQE:

外量子效率

LEDs:

发光二极管

InGaN:

氮化铟镓

GaN:

氮化镓

VLC:

可见光通信

IQE:

内量子效率

PECVD:

等离子体增强化学气相沉积

ALD:

原子层沉积

MQWs:

多量子阱

MOCVD:

金属有机化学气相沉积

p-EBL:

p型电子阻挡层

APSYS:

半导体器件先进物理模型

SRH:

肖克利-里德-霍尔