优化InGaN微LED结构提升低电流密度下量子效率

摘要

本文通过全面数值模拟研究氮化物微发光二极管（微LED）在低电流密度下的工作行为与物理机制。偏振效应分析显示，微LED在低电流密度下遭受更严重的量子受限斯塔克效应（QCSE），给效率提升和稳定全色发光带来挑战。通过分析载流子输运与匹配，确定微LED低电流密度下的最佳工作条件并优化结构设计。结果表明：减少活性区量子阱（QW）数量可增强载流子匹配和辐射复合率，从而提高量子效率和输出功率。讨论了电子阻挡层（EBL）对微LED的有效性。移除EBL后，电子限制和空穴注入同时改善，显著增强低电流密度下微LED发光。研究了俄歇和肖克利-里德-霍尔（SRH）复合过程，突显微LED在低电流密度下对缺陷的高敏感性。

概要：数值研究InGaN微LED在低电流密度下的偏振诱导QCSE、载流子输运匹配及复合过程。基于器件行为机制理解，提出专为高效微LED显示设计的外延结构：两个QW、高掺杂或无EBL、高空穴浓度p-GaN。同时强调微LED对缺陷密度的敏感性。

引言

III族氮化物可见发光二极管（LED）广泛应用于信号、光通信、信息存储、背光、显示、通用照明（固态照明）[1,2]。自2000年Jiang等人首次演示直径12 μm InGaN微盘LED[3,4]，微LED在高分辨率显示、可见光通信、生物医学、传感等领域受到学术界和产业界广泛关注[5-8]。相比液晶显示（LCD）和有机发光二极管（OLED），微LED具备尺寸小、分辨率高、发光效率高、亮度高、色饱和度高、寿命长、响应快、坚固耐用等优势，成为下一代显示技术最有力候选者[9,10]。应用场景涵盖高端电视、笔记本、手持移动终端、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、透明显示等。据Yole预估，2025年微LED显示市场将达3.3亿台[11]。

传统III族氮化物LED应用（特别是固态照明）要求光输出功率尽可能高[12]。过去三十年，受高功率应用驱动，氮化物LED现代研究（包括外延结构设计优化、器件工作行为物理机制研究、制造工艺改进）主要聚焦大尺寸芯片、高工作电流密度、高输入输出功率[12,13]。首要是活性区从早期最简单异质结构和单量子阱（QW）演变为如今多量子阱（MQWs），周期达5个QW，甚至部分商业高功率器件达8-10个QW[14-17]。EBL旨在阻挡高注入电流密度下电子泄漏，但也一定程度上阻碍空穴注入[18,19]。常规高功率LED最核心问题是随电流密度增加外量子效率（EQE）下降，即效率下降。其内在机制与高注入载流子密度下间接俄歇复合相关[20]。制造上，薄膜倒装和垂直注入几何结构被开发以拓展氮化物LED功率水平[21,22]。

常规大尺寸高功率氮化物LED取得显著进展，部分经验可借鉴微LED研究。但微LED与高功率对应器件差异巨大。微LED不同的工作行为、机制、条件导致不同挑战和研究路径[23,24]。传统LED峰值EQE位于高电流密度，工作电流密度高且超峰值效率（>30 A/cm²）。但微LED显示工作电流密度远低，常在0.02-2 A/cm²范围[24]。此低电流密度下传统氮化物LED EQE极低，不足支撑微LED显示实际应用。Zhang等人利用V型坑筛选位错增强空穴注入，制得峰值效率24.0%（0.8 A/cm²）的高效InGaN LED[25]，但芯片尺寸仍为传统尺寸（1 mm×1 mm），远大于微LED。多项工作报道微LED随芯片尺寸缩小IQE和EQE下降[26-28]。这种尺寸依赖性退化主要归因于表面复合和等离子体干法刻蚀引起的侧壁损伤。这些侧壁效应导致肖克利-里德-霍尔（SRH）非辐射复合，降低量子效率，且随芯片尺寸减小愈发严重，因比表面/侧壁面积相对活性区更大[29-31]。为解决此问题，提出介质材料侧壁钝化、缓冲氢氟酸湿法刻蚀或光电化学法将侧壁效应降至一定程度[31-33]。但即使侧壁钝化改善，尺寸<60 μm微LED峰值EQE仍<25%，电流密度<2 A/cm²时急剧下降至个位数百分比[34,35]。特别是InGaN红光微LED，因强偏振和差晶体质量，目前报道EQE极低（<1%，微显示仅0.2%）[36]。且随芯片缩小，峰值EQE位置向更高电流密度移动，进一步阻碍低电流密度高效率实现[26]。

因此，提升低电流密度量子效率成为微LED显示应用的重大挑战和关键科学问题。为此，需提高峰值效率并将效率起始位置移向合适的低电流密度。以往工作多聚焦侧壁钝化等制造工艺改进。为提高效率，研究微LED低电流密度下工作行为与物理机制（目前仍相对未探索、理解不足）也至关重要。此外，为创建能在低电流密度下最大化效率的器件，微LED外延结构需重新设计优化，应与传统大尺寸高输入输出对应器件截然不同。目前专为低电流密度工作微LED显示设计的特定外延结构仍缺失。

本文突出微LED显示应用低电流密度下的独特挑战并提出潜在解决方案。使用半导体器件高级物理模型软件[37]，数值研究InGaN微LED在0.1-200 A/cm²电流密度下的工作行为与物理机制。模拟分析能带图、波函数、偏振场中的QCSE，证实低电流密度下QCSE更严重。系统研究QW数量、p型掺杂浓度、AlGaN EBL对微LED载流子输运、匹配、辐射复合、量子效率的影响。讨论SRH和俄歇复合效应与机制。基于模拟分析，提出专为低电流密度工作微LED优化的外延结构。

器件结构与模拟方法

本研究采用矩形芯片尺寸60×60 μm、峰值发射波长约465 nm的常见蓝光InGaN微LED结构进行模拟。图1显示蓝光微LED由200 nm n-GaN层、MQWs活性区、20 nm p-Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N EBL和150 nm p-GaN层组成。MQWs活性区含8、5、3、2或1个周期，每周期2.5 nm厚In₀.₂₅Ga₀.₇₅N QW嵌入10 nm厚In₀.₀₅Ga₀.₉₅N量子势垒（QB）。MQWs In组分经调整优化以获得所需蓝光发射波长。n-GaN、p-AlGaN EBL、p-GaN掺杂浓度分别为2×10¹⁸ cm⁻³、3×10¹⁸ cm⁻³、1×10¹⁹ cm⁻³。

使用半导体器件高级物理模型软件[37]数值研究微LED光电特性。模拟假设自发和压电偏振引起的界面电荷密度50%[38]。除特别说明外，SRH寿命和俄歇复合系数分别设为100 ns和1×10⁻³¹ cm⁶/s[39,40]。带偏移比设为0.7/0.3[41]，光提取效率固定70%，工作温度300 K。其他材料参数见文献[42]。

结果与讨论

LED壁插效率（WPE）表达式为：

WPE = P_out/(I_op × V) = η_EQE × ℏω/(e × V) = η_EQE × η_elect (1)

其中P_out为光输出功率，I_op为工作电流，V为驱动电压，ℏω为光子能量，η_elect为电学效率。外量子效率η_EQE为注入效率（CIE）η_CIE、内量子效率（IQE）η_IQE、光提取效率（LEE）η_LEE乘积：

η_EQE = η_CIE × η_IQE × η_LEE (2)

根据ABC模型[43]，η_IQE表达为：

η_IQE = R_rad/(R_rad + R_SRH + R_Auger) (3)

其中R_rad为辐射复合率，R_SRH为SRH非辐射复合率，R_Auger为俄歇复合率。图1展示不同效率及相关物理机制因素。

需最大化R_rad和CIE，提高电学效率和LEE，降低SRH和俄歇复合，以改善微LED低电流密度下整体效率。除光提取外，这些挑战将在后续章节讨论，并提出高效微LED外延结构潜在解决方案。

低电流密度QCSE：内部偏振场

偏振诱导QCSE是限制氮化物LED IQE的主要因素之一[44]。QCSE在传统大尺寸高功率LED中研究广泛，但在微LED特定应用背景下讨论仍不足。因此优先研究此重要效应。此处讨论的微LED活性区由5周期QW构成，为传统氮化物LED最常用QW数。

图2a展示第五QW在200和0.1 A/cm²下的能带图及一阶电子空穴波函数。QB和QW经历大幅带弯曲，导致电子空穴波函数空间分离。且低电流密度下带弯曲更强，表明QCSE更严重。此现象归因于低注入电流密度下非平衡载流子少、屏蔽效应弱（见附件1：图S1a-d及相关讨论）[41]。图2b显示更严重QCSE增强低电流密度下载流子波函数峰值位置分离距离，导致辐射复合率降低。进一步计算无/有偏振效应（即无/有QCSE）下辐射复合率和EL谱，定量展示电子-空穴分离如何降低低电流密度发光。图2c、d显示积分辐射复合率强度和EL强度分别因QCSE降低约84.0%和72.3%。结果表明，因低电流密度下QCSE增强，微LED效率提升难度大于传统高功率器件。

此外，不同注入电流密度下准确稳定控制发射波长对微LED显示至关重要，决定亮度、色准、饱和度等关键参数。但低电流密度下更严重QCSE使此挑战巨大，特别是需更高In组分的绿、红光微LED。因高In组分InGaN QW带弯曲增加和更强QCSE，屏蔽效应导致波长随电流密度蓝移更显著。进一步计算不同电流密度下InGaN红、绿、蓝微LED EL谱，展示谱位移对显示色点影响。附件1：图S2显示0.1-20 A/cm²下红、绿、蓝微LED峰值波长蓝移约15.8、6.6、1.7 nm。结合红绿蓝微LED计算色点（附件1：表S1）。图2e展示对应1931-CIE (x,y)色度图。明显可见，RGB微LED发射色点随电流密度增加从绿色大幅变化至蓝绿色。CIE x值从0.1676跨越至0.2084，y值从0.3891跨越至0.3106。色点随电流密度剧烈变化严重恶化微LED显示性能。

许多报道建议抑制QCSE的方法：InGaN/AlGaN超薄超晶格势垒[45]、插入GaN中间层的InGaN/GaN/AlGaN/GaN MQWs[46]、皱褶MQWs[47]、MQWs前插入应力释放层[48]。但QCSE源于c面氮化物材料本征性质，调整MQWs不足以完全抑制。近期非极性氮化物LED获良好效率。若非极性GaN衬底成本可降低，非极性LED可成减少QCSE、实现稳定全色发光的理想方案[49]。

载流子输运与匹配

电子（J_n）和空穴（J_p）电流密度表达式为：

J_n = σ_n|E| = nqμ_n|E| (4)

J_p = σ_p|E| = pqμ_p|E| (5)

其中σ_n、σ_p为电导率，n、p为浓度，μ_n、μ_p为迁移率，E为电场。氮化物中空穴浓度比电子低一个数量级[50]，空穴迁移率比电子低两个数量级[51]。浓度与迁移率不对称导致载流子通量失配（J_n > J_p），以下两方面恶化LED性能。

电流注入效率：CIE η_CIE为复合电流J_recomb与总电流J_total之比[52]：

η_CIE = J_recomb/J_total = (J_n-recomb + J_p-recomb)/(J_n + J_p) = 2×J_p/(J_n + J_p) (6)

J_recomb取决于较小载流子电流（即空穴电流）。公式(6)证实载流子失配（J_n > J_p）限制CIE最大化。

辐射复合率：辐射复合率R_rad由费米黄金法则描述（公式7）。较少空穴和额外电子在QW累积导致晶格膨胀、拉应力积累。此应力变化降低价带顶附近量子能级电荷密度，按公式(7)进一步降低光学跃迁概率和R_rad。单个QW局部载流子失配同样限制IQE。更多讨论见前人报道[54-56]。

以下分析QW数量、p型掺杂浓度、EBL结构对载流子输运影响，确定最佳载流子匹配条件，最终提出低电流密度高效微LED显示优化外延结构。

5QWs中载流子失配

首先模拟5QWs蓝光微LED载流子输运特性。200和0.1 A/cm²下载流子浓度分布见图S3a、b（附件1）。高低电流密度下均观察到5个QW中分布不均。图S3c、d显示MQWs中电子迁移率（684 cm²/V·s）比空穴迁移率（10 cm²/V·s）高两个数量级。电子可能注入后直接穿过MQWs不参与复合，导致电子泄漏和低CIE[51]。

图3a显示200 A/cm²下电子空穴电流密度分布。总空穴电流密度（217.4 A/cm²）仅为电子（333.3 A/cm²）65.2%，表明严重载流子失配和低CIE。泄漏电子电流高达116.0 A/cm²，同时恶化辐射效率和空穴注入。图3b显示0.1 A/cm²下泄漏电子电流仅0.01 A/cm²，计算η_CIE高达95%。结果表明低电流密度易获高CIE。但除第5 QW（J_p = J_n）外，其他四个QW（QW 1-4）在高低电流密度下载流子失配和额外电子累积均严重。200 A/cm²下这四个QW电子电流密度分别为空穴的120、43、16、5倍（图3a）；0.1 A/cm²下分别为23、9、4、2倍（图3b）。按公式(7)，巨大载流子失配显著降低这四个QW辐射复合率。200 A/cm²下其辐射复合率仅为第5 QW的3.4%、4.0%、10.1%、34.2%；0.1 A/cm²下分别为11.3%、10.1%、10.7%、21.2%。载流子失配和低辐射发射最终降低微LED整体效率。

影响载流子输运与匹配的因素

QW数量：传统大尺寸高电流密度LED需5甚至8-10周期MQWs获高光输出功率。但微LED显示输出功率小得多、工作电流密度低得多。前节讨论显示即使低电流密度，5QWs载流子失配仍严重，仅一个QW达最佳匹配。因此，微LED低电流密度下减少QW数量应是改善效率的更好设计。

研究QW数量对微LED影响验证假设。图4a-f展示0.1 A/cm²下3QWs、2QWs、1QW LED载流子电流密度和辐射复合率。电流曲线因单调递减趋势仅有一交点（最佳载流子匹配点，J_n = J_p），但QW减少至3、2QWs时可在两个不同QW实现两个交点（图4a,b）。即减少QW数量可部分克服MQWs载流子失配。特别是2QWs经适当调整，可在两个QW均实现完美载流子通量匹配。辐射复合率在2QWs中也高于3QWs和5QWs，因载流子被更集中地用于少QW数活性区辐射复合（图3d、4d,e）。无疑1QW载流子匹配最佳、辐射复合率最高（图4c,f）。

图5a,b显示0-200 A/cm²和0-10 A/cm²电流密度下不同QW数IQE曲线。>50 A/cm²时减少QW数IQE下降；<30 A/cm²时减少QW数IQE上升。0.1 A/cm²下8、5、3、2、1 QW IQE分别为55%、62%、69%、77%、78%。且峰值IQE位置随QW数减少从8QWs的6.0 A/cm²移至2QWs约1.2 A/cm²最低电流密度（图5b）。低电流密度（<1 A/cm²）IQE曲线随QW数减少变得更陡峭尖锐，表明更容易更快达到最高效率，极利于低电流密度效率提升。物理机制在于更好载流子通量匹配和更集中、更强活性区辐射发射。图5c显示0.1 A/cm²下5、3、2、1 QWs积分EL强度比8QWs分别提升约6.1%、14.8%、28.4%、32.1%。确认减少QW数不仅提高效率还增大输出功率。

模拟显示1QW EL强度最高，或为低电流密度微LED最佳结构。但实验上难外延生长表面平坦、界面锐利的单QW。且1QW峰值IQE位置略微上移至2.9 A/cm²，IQE曲线形状略变。可由单QW特殊情形解释：与其他QW相比，邻近EBL的QW有特殊偏振环境，被视为"问题QW"。此话题将在AlGaN EBL节详述。综上，2QWs应为最佳活性区设计，具备相似良好载流子匹配、接近IQE值和EL强度。后续模拟均基于2QWs微LED。

p-GaN掺杂浓度：进一步研究不同p-GaN掺杂浓度下2QWs LED性能。图6a显示p-GaN掺杂从1×10¹⁸增加至5×10¹⁹ cm⁻³时，0.1 A/cm²下两QW辐射复合率分别再提升约3.1%和3.0%。图6b显示总空穴电流密度从0.157增至0.162 A/cm²，泄漏电子电流密度从0.009降至0.005 A/cm²。值得注意的是靠近n侧QW复合电流高于靠近p侧QW（图6b），故靠近n侧QW辐射复合率略高。图6c显示不同p-GaN掺杂下EBL载流子能垒（定义为电子/空穴准费米能级与最高导带/最低价带能量距离）几乎不变，即增加掺杂不改善空穴注入。图6d显示p-GaN和QW平均空穴浓度。p-GaN空穴浓度近似随掺杂指数增长。QW内空穴浓度随掺杂增加约翻倍（1.59×10¹⁹至3.08×10¹⁹ cm⁻³）。结果表明空穴浓度增加是提升辐射复合主要贡献。故即使低电流密度，氮化物p型掺杂问题仍突出，提高掺杂效率和空穴浓度仍有利微LED效率。

AlGaN EBL：过去几十年，10-20 nm p型AlGaN EBL成传统氮化物LED标准结构，旨在阻挡电子泄漏、抑制高注入电流密度下效率下降。但EBL仍是LED极复杂微妙结构，涉及Al组分、AlGaN p型掺杂效率、带偏移比、偏振效应等重要因素，每个因素均显著影响带结构和载流子输运，决定EBL有效性。构建EBL时厚度、组分、掺杂浓度须仔细优化平衡电子限制增强与空穴注入阻碍，否则适得其反降低LED性能。微LED低电流密度下EBL有效性须重新审视，可能与传统高输入输出LED不同。

a. EBL掺杂浓度：首先研究EBL掺杂浓度对低电流密度载流子输运影响。EBL厚度、Al组分固定为20 nm、0.15。考虑Mg在AlGaN低溶解度、晶体退化、过掺杂补偿效应[50]，EBL掺杂先设为3×10¹⁸ cm⁻³。图7a显示对应能带结构。尽管存在EBL，末尾QW和EBL向下弯曲导致电子限制不足，电子仍可泄漏。末尾QB/EBL界面电子准费米能级下出现新能谷，电子逃逸QW累积此区。偏振效应导致此带结构扭曲使EBL相对无效。图7c显示强偏振在界面诱导大量电荷。末尾QB/EBL界面非平衡偏振电荷为正，在末尾QB建立指向n侧的大静电场，方向与其他QB和EBL场相反。这些静电场拉低末尾QB和EBL能带。且末尾QW和QB电场均吸引电子驱其离开活性区进入p层。载流子浓度图（图7d）证实：虚线黑线指示部分电子逃逸活性区累积末尾QB/EBL界面；EBL和p-GaN中泄漏电子仍相对较高。

另一方面，EBL给空穴注入引入高达480 meV势垒。且因偏振效应，EBL/p-GaN界面区出现靠近空穴准费米能级能谷（图7a,c）。实线黑线指示多数空穴被EBL阻挡累积EBL/p-GaN界面能谷（图7d）。因这种低效载流子输运，末尾QW成"问题QW"，EBL电子限制能力低、应对空穴注入差负责。相比传统高输入输出LED，低电流密度下载流子屏蔽弱导致偏振效应增强，EBL这种偏振诱导无效性对微LED可能特别严重。

提高EBL掺杂浓度进行带工程优化是改善电子限制和空穴注入可能方法。Mg在AlGaN EBL激活能高于GaN，故相似掺杂下EBL活性空穴浓度远低于p-GaN。较低空穴浓度进一步分离空穴准费米能级与价带，增高势垒。基于此分析，EBL掺杂需远高于p-GaN。考虑实验掺杂限制，选6×10¹⁹ cm⁻³为新EBL掺杂。图7b显示提高掺杂后，空穴准费米能级对齐抬升EBL价带，空穴能垒降至281 meV。高p型掺杂也降低电子准费米能级相对EBL导带位置，电子泄漏有效势垒增至1175 meV。这些变化改善电子限制和空穴注入。图7d显示相比3×10¹⁸ cm⁻³，活性区空穴浓度大幅增加，EBL和p-GaN泄漏电子近乎为零。但EBL/p-GaN界面能谷仍存。且价带上移在末尾QB/EBL界面引入新空穴累积能谷（图7d空穴分布证实）。这些能谷阻碍空穴注入QW，抵消高掺杂优势。

b. EBL Al组分：相比增加掺杂，降低AlGaN EBL Al组分可能是改善低电流密度载流子输运更简易高效方法。EBL有效性敏感依赖Al组分、带偏移、偏振效应。增加Al组分可增大末尾QB/EBL带偏移，提高电子势垒。但图8a显示界面偏振诱导电荷随之增加，拉低电子势垒。两机制对电子限制作用相反。

基于此分析，研究2QWs微LED不同EBL结构在200和0.1 A/cm²下载流子输运。不同EBL有效势垒高度汇总表1。首先，低电流密度下电子空穴能垒均远高于高电流密度，因非平衡载流子少。高能垒虽改善电子限制，但严重阻碍低电流密度空穴注入。表明EBL对微LED低电流密度载流子输运影响远大于传统高输入输出LED。表1显示：低Al组分EBL中电子势垒随Al组分增加而减小，表明偏振诱导导带下降大于高Al组分带来带偏移增加；进一步增大组分后电子势垒随组分增加，带偏移主导偏振效应。相比高电流密度，此组分转折点在低电流密度更高，因载流子屏蔽弱偏振效应增强。另一方面，因末尾QB/p-GaN原有带偏移和带弯曲，即使无EBL界面也存在电子空穴能垒。200 A/cm²下Al组分<0.20时电子势垒低于无EBL，但空穴势垒高约64 meV。0.1 A/cm²下即使Al组分>0.20，AlGaN EBL电子势垒（523 meV）仍比无EBL（674 meV）低151 meV，空穴势垒从409增至485 meV（增约76 meV）。结果表明错误组分EBL会同时恶化电子限制和空穴注入，微LED低电流密度下尤甚。

深入分析以Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N EBL和无EBL为代表微LED带结构（图8b,c）。EBL在末尾QB/EBL和EBL/p-GaN界面分别引入电子和空穴累积能谷（图8d载流子浓度证实），导致电子限制和空穴注入差。移除EBL后（图8c），电子能垒增大，电子提取累积能谷消失，更有效防止电子泄漏（图8d证实）。同时空穴注入势垒降低，EBL/p-GaN界面能谷消除，空穴无大障碍直接输运入QW（图8c,d）。

上述细致研究表明无EBL可能是低电流密度微LED更好结构。模拟支持建议。图8e展示0.1 A/cm²不同EBL结构载流子电流密度。EBL Al组分从0.15降至0.04时，总电子空穴电流密度从0.167、0.159增至0.225、0.225 A/cm²。完全移除EBL后，总电子空穴电流密度大幅增至0.528 A/cm²，约为Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N EBL 3倍。此增强源于电子限制和空穴注入同时改善。

图8f显示低电流密度IQE曲线。EBL Al组分从0.15降至0.04时，IQE因载流子输运改善显著上升。但完全移除EBL后，IQE比Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBL略降。此由两QW载流子匹配解释：绿箭头指示Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBL下两QW均完美载流子匹配（图8e）。移除EBL增大电流密度后，第一QW电子电流密度略高于空穴，载流子失配轻微打破，故IQE略降。

无EBL结构优势仍显著，因载流子输运改善。图8g显示0.1 A/cm²无EBL微LED积分EL强度分别为Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N、Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N、Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBL的3.53、3.23、2.38倍。图8g插图显示1和0.1 A/cm²下工作电压移除EBL后分别降低约0.53 V和0.57 V，提升电学效率进而增大WPE。为进一步确证无EBL结构为低电流密度微LED更好设计，另用报道最高效蓝光微LED结构模拟验证，结果见补充材料（附件1：图S4a-d）。

低电流密度微LED优化结构

基于上述模拟分析，提出专为低电流密度高效微LED显示设计的优化外延结构（图9）。须遵循三原则：第一，区别于传统大尺寸高功率氮化物LED，微LED QW数量应减至两个，拥有更好载流子匹配条件、更集中辐射发射、更高IQE和WPE。第二，氮化物中空穴浓度迁移率远低于电子，仍需增强p型掺杂，要求更高效p型掺杂策略。第三，为改善载流子输运匹配，AlGaN EBL掺杂浓度应大幅提高或完全移除。无AlGaN EBL可在低电流密度下大幅改善电子限制、空穴注入、载流子匹配、IQE和WPE。

俄歇复合与SRH非辐射复合

基于公式(3)，除辐射复合外，SRH和俄歇复合对LED IQE起关键作用。故研究微LED中SRH和俄歇复合效应机制重要。此部分仍用2QWs LED结构，模拟参数同方法节，除SRH寿命外。

可忽略俄歇与突出SRH复合

SRH复合率表达式[57]：

R_SRH = (np - n_i²)/[τ_p(n + n_i exp(E_T/kT)) + τ_n(p + n_i exp(E_T/kT))] (8)

τ_p = 1/(c_p N_t), τ_n = 1/(c_n N_t) (9)

c_p = σ_p ν_p, c_n = σ_n ν_n (10)

其中n_i为本征载流子浓度，τ_p、τ_n为空穴电子SRH寿命，E_T为陷阱能级与本征费米能级能量差，c_p、c_n为电子空穴捕获系数，N_t为陷阱密度，σ_p、σ_n为捕获截面，ν_p、ν_n为平均热速度。按公式(8)-(10)，陷阱SRH复合由其密度、捕获截面、能级完全确定。

俄歇复合率为：

R_Auger = (C_n n + C_p p)(np - n_i²) (11)

其中C_n、C_p为俄歇复合系数。

因注入空穴电子浓度远高于非掺杂QW本征载流子浓度（模拟显示无外部注入电流时QW最高载流子浓度仅约10⁷ cm⁻³），SRH和俄歇复合率可简化为：

R_SRH = np/(τ_p n + τ_n p) (12)

R_Auger = (C_n n + C_p p)np (13)

公式(12)(13)清晰显示：R_SRH与载流子浓度一次方成正比，R_Auger依赖载流子浓度三次方。即R_SRH对低电流密度敏感，R_Auger在高电流密度主导。

理论分析与模拟一致。图10a,b显示200和0.1 A/cm²下计算辐射、SRH、俄歇复合率。高电流密度下俄歇复合率（约0.8-1.4×10²⁹ cm⁻³s⁻¹）与辐射复合率（约4.2-6.0×10²⁹ cm⁻³s⁻¹）相当。高驱动电流效率下降公认由俄歇复合引起[20]。低电流密度下俄歇复合率剧降两个数量级（约6.3-7.2×10²² cm⁻³s⁻¹），远低于辐射复合（约3.7-4.0×10²⁴ cm⁻³s⁻¹）。故低电流密度下俄歇复合可忽略。反之，随电流密度降低，SRH复合率从200 A/cm²远低于辐射复合（两数量级）相对上升至0.1 A/cm²与辐射发射相当水平。因此低电流密度微LED需改善SRH或缺陷复合而非俄歇复合。

低缺陷密度要求

按公式(9)，SRH寿命τ_p、τ_n与缺陷密度N_t成反比。故可通过改变模拟SRH寿命估算缺陷密度影响。图10c显示不同SRH寿命下SRH/辐射复合率比。SRH寿命从150降至50 ns（缺陷密度增加），200 A/cm²下SRH/辐射比仅从0.01增至0.03；但0.1 A/cm²下从0.15剧增至0.43。意味着低电流密度下大得多比例载流子被缺陷捕获消耗，效率对缺陷密度敏感度远高于高电流密度。图10d,e IQE结果确证趋势。SRH寿命150降至50 ns，200 A/cm² IQE仅降约0.01，但0.1 A/cm²剧降约0.17。且峰值IQE位置随SRH寿命减小从3.1 A/cm²右移至9.0 A/cm²（图10f），IQE曲线变平缓，阈值/起始电流增加，不利低电流密度效率提升。

相比高电流密度工作传统大尺寸高功率LED，低电流密度微LED对缺陷密度敏感得多，最小化缺陷复合对获高效率至关重要。因此微LED要求材料晶体质量远高于传统LED，给外延生长和器件制造带来巨大挑战。

结论

综上，数值研究InGaN微LED低电流密度下工作行为、机制、条件，提出专为微LED显示设计的优化外延结构。偏振效应分析显示微LED低电流密度遭受更严重QCSE，提高效率和控制发光色点更难。载流子输运匹配分析确定微LED工作条件。减少QW数量改善载流子匹配，提升低电流密度效率和输出功率。分析EBL有效性，发现低电流密度移除EBL可同时改善电子限制和空穴注入。模拟显示俄歇复合可忽略，但SRH复合极大影响低电流密度微LED效率，对材料晶体质量和器件制造工艺提出更高要求。本数值研究为创建高效微LED显示提供有价值指导，推动该领域未来研究。