1 引言

Micro-LED是指发光单元横向尺寸在50 μm以下的LED^[1]。与其他显示技术(例如LCD和OLED)相比,微型LED具有效率高、寿命长、亮度高和可靠性高的优势^[2],因此,其在自发射微显示器、微投影仪和可穿戴设备等领域有着巨大的潜在应用市场^[3-5]。当前,已经制备出了GaN基的像素间距为12.8 μm(像素大小为8 μm)的960×540面阵蓝光微显示器^[6]和像素间距为10 μm(像素大小为8 μm)的873×500面阵蓝/绿光微显示器^[7]。对于LED大屏幕显示,可通过一种全新的现场可编程门阵列(FPGA)系统框架来灵活实现^[8],而为了获得具有高对比度和高显色性的微型显示器,集成红色、绿色和蓝色LED的全彩色RGB微型显示器是未来的发展趋势^[9],因此,除了高效率的蓝/绿光Micro-LED,微电流、高效率的红光Micro-LED也必不可少。Horng等^[10]基于复杂的芯片倒装工艺,制备出114.3 μm×127 μm的AlGaInP Micro-LED,在注入电流为5 mA时,外部量子效率达到19%。然而,由于AlGaInP红光LED的衬底吸收、电流拥堵及内反射效应,造成红光Micro-LED的效率普遍较低,200 μm外延片在10 mA的外加电流下,外部量子效率为4.35%^[11]。用于提高常规LED效率的金字塔结构、电流阻挡层、表面织构等^[12]技术,对于红光Micro-LED都不太适用。另外,对于横向宽度为w,发光面为正方形,厚度为d的Micro-LED而言,其侧表面积与出光表面积的比是4d/w,当厚度d一定时,随着横向尺寸w的减小,Micro-LED的侧表面积占比会更大,侧壁相对面积的比例也更大,导致侧壁缺陷处的Shockley-Read-Hall(SRH)非辐射复合面积变大。并且,基于AlGaInP的红色微型LED的侧壁非辐射复合效应比基于GaN的LED更严重^[13],这会导致效率进一步降低。当前,高性能红光Micro-LED的实现已成为RGB微显示技术面临的主要问题之一。

当应用于面阵显示时,红光Micro-LED需要满足如下三个条件:1)尽可能低的单像素工作电流。以一个960×540的面阵为例,即使单个Micro-LED的工作电流低至0.1 mA,整个面阵的工作电流仍可高达52 A,这对于可穿戴设备来说是不可接受的^[14]。然而,目前所研究的红光Micro-LED的工作电流大多都在1 mA以上^[10,11,14]。2)尽可能高的电光转换外量子效率(EQE)。随着Micro-LED横向尺寸的减小,侧壁的非辐射复合率占总复合率的比例增加,从而引起光电子内量子转换效率的降低,当芯片尺寸从150 μm×150 μm减小到 15 μm×15 μm时,EQE降低了约60%^[15]。由于红光Micro-LED的效率低,当应用于RGB全色显示时,在每一个单元中虽然只需要一个蓝光和绿光管芯,但是红光管芯却需要2个甚至更多。这不但不利于整个显示器尺寸的减小,还会增加能耗和生产成本。3)尽可能稳定的工作波长。LED的亮度变化是通过注入电流来改变的,由于载流子的带填充效应及LED的自热效应,导致LED的光谱会随着电流的改变而改变^[15]。在红光波段,人眼的视见函数非常敏感,相同光功率下,当光的波长从650 nm增加到655 nm时,人眼的视见函数会从0.107降为0.0816^[16],降低了24%,这对于RGB配色是非常不利的。

本文将侧向氧化技术与共振腔发光二极管(RCLED)^[17]结构相结合制备了出光孔径为17 μm的红光Micro-RCLED芯片。测试结果表明,芯片的EQE超过10%,单像素点可以在低于1 μA的工作电流下被点亮,并且随工作电流的变化峰值波长变化较小。

2 红光Micro-RCLED芯片制备

2.1 芯片外延生长

为了获得如图1所示的器件结构。使用垂直反应室EMCORE D125 MOCVD在N型GaAs衬底上生长RCLED外延结构,包括30对N型Al_0.5Ga_0.5As/AlAs DBR,1λ的AlGaInP光学谐振腔,6对P型AlGaAs DBR,以及5 nm的p⁺ GaAs接触层。其中,DBR的中心反射波长和谐振腔的谐振波长都是655 nm, P型DBR靠近腔的1对是AlAs/Al_0.5Ga_0.5As,用于侧向氧化,其他5对则是Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.5Ga_0.5As,在谐振腔的中心是3个Ga_0.5In_0.5P/(Al_0.5Ga_0.5)In_0.5P 量子阱作为发光有源区,阱和垒的厚度都是5 nm。外延生长温度在550~650 ℃之间,用到的III簇源是TMAl、TMGa和TMIn,V族源是高纯的AsH₃和PH₃,N型和P型掺杂剂分别是SiH₄和CCl₄。

2.2 芯片制备后工艺

外延生长结束后,进行如图1所示的Micro-RCLED芯片制备。受限于低光功率(<1 μW)的探测器,将三个相同的Micro-RCLED单元进行了并联,以增加总的输出光功率。每个单元的出光孔径ϕ₂=17 μm,中心单元与两侧单元的中心孔距分别为50 μm和70 μm。具体工艺流程包括:1)用电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀直径为37 μm的单元台面,台面深度穿过1对N型DBR。2)由N₂携带水蒸汽进行AlAs侧向氧化,通过控制氧化时间形成直径为ϕ₁的电流注入限制孔,氧化温度为380 ℃,N₂流量为1 L/min,水浴温度为94 ℃,图2(a)是经侧向氧化后芯片的显微照片,由图可以清晰看出氧化孔径的大小。3)用ICP干法刻蚀大台面,台面深度至衬底。4)溅射400 nm的SiO₂,并刻蚀出直径为27 μm的P电极接触孔。5)溅射Ti/Au作为P电极,并光刻腐蚀出直径为ϕ₂=17 μm的出光孔,结果如图2(b)所示。为了避免P电极对出射光的遮挡吸收,要求AlAs氧化孔的直径ϕ₁应小于P电极出光孔径ϕ₂,图2(c)给出了图2(b)中一个单元的放大图像,图中ϕ₁=15 μm。6)将N面衬底减薄至150 μm后,溅射AuGeNi N电极,并于400 ℃下合金退火。7)解理成单个管芯,烧结在TO56管座上进行光电特性测试。

图 1. Micro-RCLED 结构示意图

Fig. 1. Structure diagram of the Micro-RCLED

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图 2. Micro-RCLED 顶视图。(a) AlAs横向氧化后;(b)剥离P电极之后;(c)图(b)部分的放大

Fig. 2. Top view micrograph of Micro-RCLED. (a) After AlAs lateral oxidation; (b) after removing P-electrode; (c) enlargement of Fig. (b)

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器件的正向电流-电压特性由KEYSIGHT 2400测试,反向电流-电压特性由KEYSIGHT B1500A测试,光功率和光谱在直径为9 cm的积分球内测试,所用到光谱仪是RS-OP181102。

3 分析与讨论

图3是3单元Micro-RCLED的正向V-I特性测试曲线,当电流为1 mA时,器件的端电压为2.06 V,对于红光LED来说,这个电压值似乎略高,事实上,这主要是由于芯片面积较小导致的串联电阻较大引起的。设器件的串联电阻为R,则流过器件的电流I与端电压V之间存在以下关系,

V=Vj+IR,(1)I=I0{exp[qV/(nkT)]-1},(2)

式中:V_j是结压降;n是理想因子;k是玻尔兹曼常数;T是绝对温度;I₀是常数。反向V-I测试表明,器件的漏电流很小,在电压为-2 V时电流小于8 nA,因此,在(1)式和(2)式中忽略了并联电阻的影响。由(1)式和(2)式可得,

IdVdI=nkTq+IR。(3)

图3给出了根据V-I测试数据求得的IdV/dI-I结果,以及根据(3)式得到的线性拟合结果。由直线的斜率得到器件的串联电阻为120 Ω,如果将发光孔的面积扩大为常规LED的300 μm ×300 μm, 串联电阻仅为0.7 Ω,低于常规LED的值。因此,所制备的Micro-RCLED电阻值是合理的,如果采用相同的电流密度22 A/cm²(相当于正常LED的20 mA工作电流),则微型RCLED的外部电压仅为1.79 V。另外,由IdV/dI-I拟合直线与IdV/dI轴的截距求得理想因子n=3.23,n>2表明侧壁的SRH非辐射复合效应在总电流中不占主要地位^[14]。

图 3. 3个单元Micro-RCLED的V-I和IdV/dI-I曲线

Fig. 3. V-I and IdV/dI-I curves for units Micro-RCLED

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当驱动电流I从2 μA增加到1 mA时,图4给出了在显微镜(×100倍)中观察到的Micro-RCLED的亮度变化情况,需要说明的是,图中标注的电流值是3个单元的总电流值,因此,每个单元的电流值应当用标示值除以3。当I=2 μA时,即可将3个Micro-RCLED点亮,实际上,当I=1 μA(每个单元约330 nA)时,肉眼就能从显微镜中观察到红点光,可惜的是相机无法拍摄出图像。当2 μA≤I≤10 μA时,亮度随电流逐渐增加,显示的是暗红的光点,且各光点清晰可辨。当15 μA≤I≤200 μA时,光点逐渐变为亮红色。当500 μA≤I≤1 mA时,由于亮度太高,各单元的图像逐渐连在一起,特别是I =1 mA时,各单元点的图像已不可分辨。

图 4. Micro-RCLED 在不同驱动电流下的亮度变化

Fig. 4. Brightness of the Micro-RCLED at different working currents

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图5给出了输出光功率P和注入电流I之间的关系。由图可见,光功率基本随注入电流的增加而线性增大,当I=1 mA时,P达到0.21 mW。图5同时给出了外量子效率随注入电流的变化关系,随注入电流的增加,辐射复合率在总复合率中的比例逐渐增大,因此外量子效率逐渐增加。当I=1 mA时,EQE为10.9%,几乎达到理论预期的最大值^[18],远高于常规AlGaInP LED单面EQE的2%^[19]。

Micro-RCLED的高EQE与以下三个因素有关:1)由于采用了AlAs侧向氧化技术,将注入电流限制在直径为ϕ₁的孔径内,所以有效避免了刻蚀工艺引入的侧壁非辐射复合;2)由于出光孔的直径ϕ₂大于电流限制孔的直径ϕ₁,因此避免了P电极对出射光的遮挡吸收;3)更为重要的原因是,通过谐振腔的干涉效应,改变了光辐射场的空间分布,将更多的光功率集中到了光提取角范围之内。根据谐振腔理论,谐振腔内光波的电场为^[20]

E=1+r11-r1r2E0,(4)

式中:E是光辐射朝向器件顶部时的电场;r₁、r₂分别是有源区底部所有层和顶部所有层对有源区辐射电场的幅值反射系数;E₀是没有谐振腔时的光波电场。对于E是光辐射朝向器件底部时的电场情况,应将(4)式中的r₁和r₂对调。

根据(4)式,针对Micro-RCLED的层结构,计算了其内部的光场功率分布,结果如图5中的插图所示。由图可见,由于谐振腔的作用,光辐射在空间不再是各向同性,而是将更多的光辐射集中到了光提取角之内,这有利于光提取效率的提高。

图 5. Micro-RCLED的光功率与外部量子效率与驱动电流变化曲线

Fig. 5. Optical power and external quantum efficiency as function of the Micro-RCLED driving current

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图6是室温下Micro-RCLED在不同电流下的电致光谱(EL)。由于谐振腔将有源区的自发辐射限制到了腔模中,随着注入电流的增加,尽管光谱的峰值强度增加,但峰值波长的变化和半峰全宽(FWHM) 光谱很小^[21]。图6插图中给了Micro-RCLED的峰值波长和FWHM随电流的变化。当电流从80 μA增加到1 mA时(电流密度变化12.5倍),峰值波长从645.5 nm增加到656 nm,仅增加了1.5 nm, FWHM从13.033 nm增加到13.363 nm,仅增加了0.33 nm。

图 6. 不同电流下Micro-RCLED的室温电致发光光谱

Fig. 6. Room temperature electroluminescence spectrum of the Micro-RCLED at different currents

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4 结论

本文实现了一种将RCLED与AlAs侧向氧化技术相结合的红光Micro-RCLED结构,该结构具有较低的工作电流、较高的外量子效率以及稳定的峰值波长和光谱FWHM。利用MOCVD进行了外延结构的生长,并通过光刻、侧向氧化、ICP和溅射等工艺制备了出光孔径为17 μm的Micro-RCLED。测试结果表明,器件的外量子效率大于10%,当电流密度变化12.5倍时,峰值波长仅增加了1.5 nm,FWHM仅增加了0.33 nm,并且单个Micro-RCLED可以在工作电流低于1 μA时点亮。这些结果有益于满足微显示器对红光Micro-LED的需求。