높은 표면 대 부피 비율로 인해 InGaN 기반 마이크로 발광 다이오드(μLED)는 측벽 결함에 의해 유도되는 표면 재결합으로 인해 큰 어려움을 겪습니다. 또한 칩 크기가 감소함에 따라 전류 확산이 그에 따라 향상되어 캐리어 주입 및 외부 양자 효율(EQE)이 더욱 제한됩니다. 이 연구에서는 전류 확산 효과를 관리하여 측벽 결함에서 비방사성 재결합율을 줄이는 것을 제안합니다. 이를 위해 양자 장벽 두께를 줄여 수직 저항을 적절히 줄여 전류가 측벽 결함에 수평으로 덜 퍼지도록 합니다. 결과적으로 표면 비방사성 재결합 방식으로 훨씬 적은 수의 캐리어가 소모됩니다. 우리의 계산된 결과는 억제된 표면 비방사성 재결합이 정공 주입 효율에 더 유리할 수 있음을 보여줍니다. 우리는 또한 Si 기판에서 성장한 μLED를 제작했으며, 측정된 결과는 수치 계산과 일치하므로, 적절하게 얇은 양자 장벽을 가진 제안된 μLED에 대한 EQE는 전류 확산 효과가 적고 감소된 덕분에 향상될 수 있습니다. 표면 비방사성 재조합.
고휘도, 저전력 소모 및 긴 작동 수명이라는 독특한 특성으로 인해[1], III-질화물 기반 발광 다이오드(LED)가 광범위한 연구 관심을 받았습니다[2, 3]. 지금까지 대형 InGaN/GaN 청색 LED에 대한 엄청난 진전이 이루어지고 상용화되었으며[3], 이는 고체 조명 및 대형 패널 디스플레이에서 응용을 발견했습니다. 그러나 기존의 InGaN/GaN LED는 변조 대역폭이 작아 예를 들어 가시광 통신(VLC)에 적합하지 않습니다[4,5,6]. 한편, 큰 칩 크기는 예를 들어 휴대폰 디스플레이, 웨어러블 시계 디스플레이의 경우 픽셀 용량을 낮게 만듭니다. 따라서 현재 단계에서 칩 크기가 100 μm 미만인 InGaN/GaN 마이크로 LED(즉, μLED)가 많은 관심을 끌고 있습니다. 앞서 언급한 장점에도 불구하고, 고정밀 물질 전달[7,8,9] 및 크기 의존적 효율[10]과 같은 μLED의 추가 개발을 위해 아직 해결해야 할 많은 문제가 남아 있습니다. 크기 의존적 효율은 메사를 만들 때 건식 식각으로 인한 표면 손상으로 인해 발생하므로 많은 수의 결함이 발생하여 비방사 표면 재결합이 발생합니다. 다양한 유형의 광전자 장치에서 결정질 품질과 전하 수송은 광전자 특성에 영향을 미치는 것보다 필수적인 매개변수입니다[11,12,13,14,15,16]. μLED의 경우 고유하게 결함 영역에서의 표면 재결합은 μLED의 내부 양자 효율(IQE)을 크게 감소시킬 수 있습니다[17]. 최근 Kou et al. 칩 크기가 감소함에 따라 정공이 결함에 의해 더 쉽게 포획되고 정공 주입 능력은 칩 크기가 감소함에 따라 μLED에 대해 훨씬 더 나빠질 수 있다는 것을 발견했습니다[18]. 따라서 측벽 결함 밀도를 줄이는 것이 중요하다. 측벽 결함을 보호하는 매우 편리한 방법은 유전체 보호층[19]을 증착하는 것인데, 이는 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 방법 또는 원자층 증착(ALD) 방법을 사용하여 수행할 수 있습니다. 유전체 패시베이션 층이 ALD 기술을 사용하여 측벽 결함을 더 잘 제거할 수 있는 것으로 나타났습니다. 그 이유는 성장된 층의 품질이 훨씬 더 우수하기 때문입니다[20]. 측벽 결함 수는 패시베이션 층[21]을 열적으로 어닐링하여 더 줄일 수 있으며, 이는 6 μm × 6 μm μLED에 대해서도 향상된 EQE를 보여줍니다. 잘 알려진 바와 같이, 전류 확산은 감소된 측면 저항으로 인해 칩 크기가 계속 감소할 때 훨씬 더 좋아질 수 있습니다[22]. 따라서 우리는 수직 저항을 줄여 전류를 메사 내에서 더 잘 제한할 것을 제안합니다. 그러면 캐리어가 측벽 결함으로부터 떨어져 유지되고 표면의 비방사성 재결합을 억제하는 데 도움이 됩니다.
따라서 목표를 달성하기 위해 우리는 에너지 장벽과 수직 저항을 관리하기 위해 양자 장벽의 두께를 줄이는 것을 제안합니다. 우리의 수치 계산은 전류가 메사로 더 측면으로 제한될 수 있음을 보여주므로 표면 비복사 재결합에 의한 구멍 소비가 감소합니다. 감소된 표면 비복사 재결합은 또한 우리의 이전 보고서[18]에 따라 정공 주입을 용이하게 하는 데 도움이 됩니다. 또한, 얇은 양자 장벽은 다중 양자 우물(MQW)에 걸쳐 정공 분포를 균질화합니다. 실험 결과에 따르면 양자 장벽 두께가 감소한 μLED의 EQE가 향상되었습니다.
InGaN-μLED에 대한 표면 재결합 억제, 정공 주입 촉진 및 EQE 개선에 있어서 제안된 구조의 효과를 입증하기 위해 금속 유기물을 사용하여 [111] 배향된 Si 기판에서 성장되는 다양한 μLED 세트가 설계되었습니다. 화학 기상 증착(MOCVD) 시스템 [23, 24]. 모든 장치에는 5 × 10 18 전자 농도의 4μm 두께 n-GaN 층이 있습니다. cm −3 . 그런 다음 4쌍 In0.18 Ga0.82 N/GaN MQW는 광자를 생성하는 데 사용됩니다. 구조 정보는 표 1에 나와 있습니다. 다음으로 26nm 두께의 p-Al0.15 Ga0.85 N층은 정공 농도 수준이 3 × 10 17 인 p형 전자 차단층(p-EBL) 역할을 합니다. cm −3 p-EBL의 , 정공 농도가 3 × 10 17 인 100nm 두께의 p-GaN 층으로 덮입니다. cm −3 . 마지막으로 두 μLED 샘플 모두 20nm p-GaN 층으로 덮여 있습니다. 조사된 모든 InGaN 기반 청색 μLED의 칩 치수는 10 × 10 μm 2 입니다. . 200 nm ITO는 p-GaN 층과 옴 접촉을 형성하기 위해 120 초 동안 500 °C의 온도에서 어닐링되는 전류 퍼짐 층으로 활용됩니다. 그런 다음 Ti/Al/Ni/Au/ 합금은 p-전극과 n-전극 역할을 하는 전류 퍼짐 층과 n-GaN 층에 동시에 증착됩니다.
심층적인 수준에서 장치 물리학을 밝히기 위해 조사된 장치는 표류-확산 방정식, 슈뢰딩거 및 푸아송 방정식을 일관되게 풀 수 있는 APSYS[25, 26]를 사용하여 계산됩니다. 플립칩 장치의 경우 광 추출 효율이 88.1%로 설정되어 있습니다[27]. InGaN/GaN MQW에서 전도대와 가전자대 사이의 에너지 대역 오프셋 비율은 70:30으로 설정됩니다[28]. 재결합 계수가 1 × 10 −30 인 Auger 재결합을 포함하여 비방사성 재결합으로 인한 캐리어 손실도 계산에 고려됩니다. cm 6 s −1 및 100 ns의 캐리어 수명을 갖는 SRH(Shockley-Read-Hall) 재결합[29]. 메사 표면에서 발생하는 비방사성 재결합은 μLED에 대해 무시할 수 없습니다. 표면 재결합을 정확하게 모델링하기 위해 전자와 정공에 대한 트랩 레벨은 전도대 아래 0.24 eV로 설정됩니다(즉, Ec − 0.24 eV) 및 가전자대 위의 0.46 eV(즉, Ev + 0.46 eV), 각각. 3.4 × 10 −17 의 캡처 단면 cm 2 트랩 밀도는 1 × 10 13 입니다. cm −3 전자 트랩에 대해 설정됩니다[30]. 2.1 × 10 −15 의 캡처 단면 cm 2 트랩 밀도는 1.6 × 10 13 입니다. cm −3 구멍 [31]에 대해 설정됩니다. 다른 매개변수는 다른 곳에서 찾을 수 있습니다[32].
양자 장벽이 얇아질 때 더 유리한 정공 주입이 얻어질 수 있다는 것은 잘 알려져 있다[33]. 그러나 얇은 양자 장벽이 μLED의 메사 내에서 전류를 제한하는 데 도움이 되는지 여부는 명확하지 않습니다. 요점을 해결하기 위해 표 1에 따라 양자 장벽 두께가 각각 6 nm, 9 nm 및 12 nm로 설정된 μLED A, B 및 C가 있습니다. 캐리어 분포[18]에 대한 표면 재결합의 영향을 배제하기 위해 조사된 μLED에 대한 메사 주변부의 트랩은 고려하지 않습니다. 그림 1은 각각 μLED A, B 및 C에 대한 주입 전류 밀도 수준으로 계산된 EQE 및 광 전력을 보여줍니다. 그림 1에서 보는 바와 같이 양자장벽 두께가 감소하면 EQE와 광출력이 모두 증가하여 μLED A, B, C의 EQE 값은 40 A/에서 28.8%, 24.0%, 22.2%이다. cm 2 .
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μLED A, B, C 각각에 대한 주입 전류 밀도 측면에서 계산된 EQE 및 광 전력 밀도
그림 2는 40 A/cm 2 전류 밀도에서 μLED A, B, C에 대한 MQW 영역의 정공 농도 프로파일을 보여줍니다. . 양자 장벽 두께가 감소하면 양자 우물의 정공 농도가 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 한편, 4개의 양자우물에서 정공 분포에 대한 공간적 균일성 또한 개선될 수 있다. 따라서 여기에서 μLED에 대한 발견은 대형 LED에 대한 발견과 일치하므로 적절하게 얇은 양자 장벽이 정공 수송을 촉진할 수 있습니다[33]. 언급했듯이 얇은 양자 장벽이 채택되면 전류가 메사 가장자리로 덜 퍼질 수 있습니다. 그런 다음 그림 3a의 p-EBL에 가장 가까운 첫 번째 양자 우물의 측면 정공 분포를 제시합니다. 우리는 p-전극에서 떨어진 측면 위치에 따라 정공 농도가 감소한다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 pleft로 정의되는 구멍의 처짐 수준을 계산합니다. -p오른쪽 /p왼쪽 . 여기, p왼쪽 그리고 p오른쪽 왼쪽 메사 가장자리와 오른쪽 메사 가장자리에서 각각 구멍 농도로 표시됩니다. 드룹 레벨은 μLED A, B 및 C에 대해 각각 10.7%, 10.3% 및 9.8%입니다. 더 나은 설명을 위해 그림 3b에 표시된 측면 구멍 농도를 정규화합니다. 또한 양자 장벽이 얇아질수록 드룹 레벨이 증가함을 보여줍니다.
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μLED A, B, C에 대한 MQW 영역에서 수치적으로 계산된 홀 농도 프로파일. 데이터는 40 A/cm 2 의 전류 밀도에서 계산됩니다. . 삽입 그림은 날짜 프로필이 캡처된 위치를 보여줍니다.
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(아 ) 수치적으로 계산된 구멍 농도 프로파일, 및 (b ) μLED A, B 및 C 각각에 대한 p-EBL 근처의 첫 번째 양자 우물에서 정규화된 정공 농도 프로파일. 삽입 그림은 구멍 농도 프로파일이 캡처되는 위치를 보여줍니다. 데이터는 40 A/cm 2 의 전류 밀도에서 계산됩니다.
그런 다음 그림 4a–c에서 μLED A, B 및 C에 대한 에너지 밴드 다이어그램을 보여줍니다. 이는 양자장벽 두께가 감소할 때 모든 양자장벽에 대한 가전자대 장벽 높이가 감소함을 나타낸다. 감소된 가전자대 장벽 높이는 그림 2와 일치하는 MQW 영역을 가로질러 정공 수송을 더 잘 촉진할 수 있습니다. 반면에 양자 장벽이 얇아지면 감소된 수직 저항률이 상응하게 생성됩니다. Che et al.의 보고서에 따르면 [34], 수직 저항을 낮추면 전류가 메사 에지에서 멀어지는 경향이 있도록 측방향 전류 퍼짐을 억제할 수 있다. 이 추측은 그림 3a와 b를 참조할 때도 입증됩니다.
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μLED의 에너지 밴드 다이어그램(a ) A, (b ) B 및 (c ) C. Ev , 및 Efh 각각 구멍에 대한 가전자대 및 준 페르미 준위를 나타냅니다. 40 A/cm 2 의 전류 밀도에서 계산된 데이터 관리
위에서 언급했듯이 전류 퍼짐은 양자 장벽을 두껍게 하여 향상될 것이며, 이는 캐리어 재결합 과정에 확실히 영향을 미칠 것입니다. 그런 다음 메사의 가장자리에서 SRH 재결합과 복사 재결합 사이의 비율을 보여줍니다(그림 5 참조). 비율은 \( {R}_{\mathrm{SRH}}/{R}_{\mathrm{rad}}={\int}_0^{{\mathrm{t}}_{\mathrm {M}\mathrm{QW}}}{R}_{\mathrm{SRH}}(x)\times \mathrm{dx}/{\int}_0^{{\mathrm{t}}_{{{ }_{\mathrm{M}}}_{\mathrm{QW}}}}{R}_{\mathrm{rad}}(x)\times \mathrm{dx} \), 여기서 R SRH (x)는 SRH 재조합 속도를 나타냅니다. R 라드 (x)는 복사 재결합율을 나타내고, tMQW MQW 영역의 총 두께입니다. 그림 5는 R의 비율을 보여줍니다. SRH /R 라드 양자 장벽 두께가 증가함에 따라 메사의 가장자리에서 둘 다 감소하는데, 이는 이상적인 μLED 아키텍처에 대한 전류 확산 효과를 개선하여 복사 재결합 속도를 향상시킬 수 있음을 의미합니다. 이는 μLED가 현저히 감소된 칩 크기로 인해 우수한 전류 확산을 가질 수 있음을 의미합니다[21, 22]. 우리는 그림 5에 대한 표면 재결합을 아직 고려하지 않았습니다. 따라서 실제 μLED에 대한 훨씬 더 나은 전류 확산 효과가 표면 결함을 고려하여 모델링할 수 있는 캐리어 복사 재결합을 희생할 수 있다고 추측할 수 있습니다. 자세한 논의는 추후에 이루어질 예정입니다.
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μLED A, B, C에 대한 통합 SRH 재결합(SRH) 비율 및 통합 복사 재결합 비율. 삽입(a ), (b ) 및 (c )는 각각 μLED A, B 및 C에 대한 메사 에지에서의 SRH 재결합(SRH) 속도 및 복사 재결합 속도에 대한 프로파일입니다. 데이터는 40 A/cm 2 의 전류 밀도에서 계산됩니다.
양자 장벽 두께가 다른 μLED의 정공 주입에 대한 표면 재결합의 영향을 조사하기 위해 μLED I, II 및 III를 추가로 설계합니다. μLED I, II 및 III에 대한 MQW의 구조 정보는 μLED I, II 및 III에 대해 표면 결함이 고려된다는 점을 제외하고 각각 μLED A, B 및 C(표 1 참조)의 구조 정보와 동일합니다. μLED I, II, III에 대한 결함 영역의 너비는 에칭된 메사 가장자리에서 0.5 μm로 설정됩니다.
수치적으로 계산된 EQE와 전류 밀도의 함수로서의 광 출력은 그림 6에 나와 있습니다. 그림 6은 표면 비복사 재결합을 고려할 때 광 강도가 크게 감소할 수 있음을 보여줍니다. 따라서 이것은 표면 비방사성 재결합이 μLED에 대해 무시될 수 없음을 추가로 확인합니다[10, 17, 18]. 한편, 그림 1의 관찰과 잘 일치하며, 양자 장벽 두께가 감소할 때 EQE와 광 출력도 향상됩니다. μLED I 및 III에 대해 실험적으로 측정된 EQE는 그림 6a에 삽입되어 있으며 수치 계산 결과와 동일한 경향을 보여줍니다. 또한, 우리는 그림 6b와 c에서 각각 μLED I 및 III에 대한 정규화된 전계발광(EL) 스펙트럼을 측정하고 표시합니다. 테스트된 모든 μLED의 피크 방출 파장은 ~450 nm입니다. 측정된 EL은 당사 모델에서 재현할 수 있습니다. 이것은 우리가 사용한 물리적 매개변수가 올바르게 설정되었음을 나타냅니다. 예를 들어, 방출 파장을 결정하는 MQW의 편광 수준 및 InN 구성이 적절하게 설정되었음을 나타냅니다.
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μLED I, II 및 III에 대한 주입 전류 밀도 측면에서 계산된 EQE 및 광 전력 밀도. (a의 삽입 그림 )은 각각 μLED I 및 III에 대해 실험적으로 측정된 EQE를 보여줍니다. (b의 삽입 그림 ) 및 (c ) μLED I 및 III에 대한 측정 및 수치 계산된 EL 스펙트럼을 나타냅니다. 삽입 무화과에 대한 데이터(b ) 및 (c ) 40 A∕cm 2 의 전류 밀도에서 수집됩니다.
μLED I, II 및 III에 대한 정공 주입 효율에 대한 측벽 결함의 영향을 나타내기 위해 정공 농도가 그림 7에 나와 있습니다. 그림 7a의 정공 농도는 장치[그림 7a의 삽입에서 빨간색 화살표로 표시됨]. 그림 7b는 [그림 7b의 삽입에서 빨간색 화살표로 표시된 대로] 장치에 대한 결함 영역의 정공 농도를 보여줍니다. 도 7a 및 b가 예시하는 바와 같이, 비결함 영역 및 측벽 영역 모두에 대해, 양자 장벽에 대한 감소된 두께는 MQW를 통한 정공 수송에 유리하다. 여기서 결과는 그림 2와 일치합니다. 그림 7a와 b를 더 비교하면 결함이 있는 측벽 영역에서 정공 주입 효율이 결함이 없는 영역에서보다 분명히 낮습니다. 여기에서의 관찰은 Kou et al.과 잘 일치합니다. [18], 양자 장벽 두께를 적절하게 줄임으로써 결함이 있는 측벽으로 전류가 덜 퍼지도록 하는 것이 본질적으로 필요하다는 것을 추가로 나타냅니다(그림 3a 및 b 참조).
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MQW 영역에서 수치적으로 계산된 구멍 농도 프로파일(a ) 중앙, (b ) μLED I, II 및 III에 대한 메사의 가장자리에서 각각. 데이터는 40 A/cm 2 의 전류 밀도에서 계산됩니다. . 삽입된 그림은 홀 농도 프로파일이 캡처되는 위치를 보여줍니다.
그런 다음 그림 5에서 수행한 대로 분석을 반복합니다. 이 값에 대한 값은 이제 그림 8에 나와 있습니다. R SRH /R 라드 양자 장벽이 두꺼워지면 메사 가장자리에서 증가하며, 이는 현저하게 향상된 표면 비방사성 재결합 속도에 고유하게 기인합니다. 우리가 제안한 것처럼 두꺼운 양자 장벽은 전류가 메사 가장자리에 도달하고 표면 비복사 재결합을 촉발합니다. 결과적으로 삽입된 그림-c는 표면 비복사 재결합이 메사 가장자리에서 극도로 강해지는 것을 보여줍니다. 측벽에서의 비방사성 재결합율은 심지어 복사성 재결합율을 압도합니다.
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μLED I, II, III에 대한 통합 SRH 재결합(SRH) 비율과 통합 복사 재결합 비율. 삽입 그림(a ), (b ) 및 (c )은 각각 μLED I, II 및 III에 대한 메사 에지에서의 SRH 재결합(SRH) 속도 및 복사 재결합 속도에 대한 프로파일입니다. 데이터는 40 A/cm 2 의 전류 밀도에서 계산됩니다.
요약하면, 우리는 InGaN 기반 μLED에 대한 정공 주입 및 전류 확산에 대한 다양한 양자 장벽 두께의 영향을 수치적으로 조사하고 입증했습니다. 결과는 양자 장벽 두께를 얇게 함으로써 메사 영역 내에서 더 나은 전류 제한이 활성화될 수 있음을 나타냅니다. 이에 따라, 전류 퍼짐은 메사 가장자리에서 떨어져 있도록 잘 관리될 수 있으며, 이는 표면 비복사 재결합을 억제합니다. 수치적으로나 실험적으로나 우리는 적절하게 얇은 양자 장벽을 가진 InGaN 기반 μLED의 향상된 외부 양자 효율을 관찰합니다. 우리는 제안된 접근 방식이 고성능 μLED의 개발을 제한하는 병목 현상을 제거하는 데 유망하다고 믿습니다. 또한, 이 작업에서 제공되는 장치 물리학은 InGaN 기반 μLED에 대한 이해를 높일 것입니다.
현재 작업의 데이터 및 분석은 합리적인 요청에 따라 교신저자로부터 제공됩니다.
마이크로 발광 다이오드
외부 양자 효율
발광 다이오드
인듐 갈륨 질화물
질화갈륨
가시광선 통신
내부 양자 효율
플라즈마 강화 화학 기상 증착
원자층 증착
다중 양자 우물
금속-유기 화학 기상 증착
p형 전자 차단층
반도체 장치의 고급 물리적 모델
쇼클리-리드-홀
나노물질
퓨즈 유형 정보，모든 전자 애플리케이션에는 회로가 필요합니다. 그러나 회로는 깨지기 쉬우며 과도한 전류가 흐르거나 전기적 오류가 발생하면 손상됩니다. 따라서 회로가 손상되지 않도록 보호할 수 있는 방법을 찾고 있다면 제대로 찾아오셨습니다. 또한 여러 가지 요인으로 인해 회로에 전류가 넘칠 수 있습니다. 잘못된 연결, 잘못된 배선 또는 사람의 실수로 인해 발생할 수 있습니다. 게다가 언제 오버플로가 발생할지 예측할 수 없습니다. 따라서 이러한 이벤트를 준비하는 것이 가장 좋습니다. 다행히 퓨즈만 있으면 됩니다. 이 기사에서
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