Optimisasi Struktur Micro-LED InGaN untuk Meningkatkan Efisiensi Kuantum pada Kepadatan Arus Rendah

Abstrak

Di sini kami melaporkan studi numerik komprehensif untuk perilaku operasi dan mekanisme fisika mikro-dioda memancar cahaya nitrida (micro-LED) pada kepadatan arus rendah. Analisis efek polarisasi menunjukkan bahwa micro-LED menderita efek Stark terpantul kuantum yang lebih parah pada kepadatan arus rendah, yang memposisikan tantangan untuk meningkatkan efisiensi dan merealisikan emisi warna penuh stabil. Transportasi pembawa dan kecocokan dianalisis untuk menentukan kondisi operasi terbaik dan mengoptimalkan desain struktur micro-LED pada kepadatan arus rendah. Diketahui bahwa jumlah sumur kuantum yang lebih sedikit di wilayah aktif meningkatkan kecocokan pembawa dan laju rekombinasi radiatif, yang mengarah pada efisiensi kuantum dan daya keluaran yang lebih tinggi. Effektivitas lapisan pemblokir elektron (EBL) untuk micro-LED dibahas. Dengan menghapus EBL, konfinemen elektron dan injeksi lubang ditemukan meningkat secara bersamaan, sehingga emisi micro-LED ditingkatkan secara signifikan pada kepadatan arus rendah. Proses rekombinasi mengenai Auger dan Shockley–Read–Hall diselidiki, dan sensitivitas terhadap celurahディutama untuk micro-LED pada kepadatan arus rendah.

Sinopsis: Efek Stark terpantul kuantum yang diinduksi polarisasi, transportasi pembawa dan kecocokan, dan proses rekombinasi InGaN micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah diteliti secara numerik. Berdasarkan pemahaman perilaku dan mekanisme perangkat ini, struktur epitaksi yang dirancang khusus termasuk dua QW, EBL yang sangat tinggi dopings atau tanpa EBL dan p-GaN dengan konsentrasi lubang tinggi untuk tampilan emisif micro-LED yang efisien diusulkan. Sensitivitas terhadap kepadatan celurah juga ditekankan untuk micro-LED.

Pendahuluan

Dioda memancar cahaya (LED) berbasis nitrida Golongan III terlihat memiliki aplikasi yang luas termasuk sinyal, komunikasi optik, penyimpanan informasi, lampu belakang, tampilan, dan pencahayaan umum (atau pencahayaan padat) [1, 2]. Seit demonstrasi pertama mikro-disk LED InGaN dengan diameter 12 μm oleh Jiang dan rekan-rekannya pada 2000 [3, 4], micro-LED telah menerima minat akademis dan industri yang semakin besar di bidang tampilan resolusi tinggi, komunikasi cahaya terlihat, bio-kedokteran, dan penginderaan [5,6,7,8]. Dibandingkan tampilan kristal cair (LCD) dan dioda memancar cahaya organik (OLED), micro-LED memiliki keuntungan ukuran kecil, resolusi tinggi, efisiensi luminansi tinggi, kecerahan tinggi, saturasi warna tinggi, umur operasi panjang, kecepatan respons tinggi, dan ketahanan, yang menjadikannya calon paling menjanjikan untuk teknologi tampilan generasi mendatang [9, 10]. Skenario aplikasi tampilan micro-LED termasuk TV high-end, laptop, perangkat handheld dan terminal seluler, realitas virtual (VR), realitas terpadu (AR), tampilan transparan, dan sebagainya. Menurut estimasi Yole, pasar tampilan micro-LED akan mencapai 330 juta unit pada 2025 [11].

Aplikasi tradisional LED nitrida Golongan III, terutama pencahayaan padat, memerlukan daya optik keluaran sebesar mungkin [12]. Dalam tiga dekade terakhir, dimotivasi oleh aplikasi daya tinggi, penelitian modern untuk LED nitrida, termasuk desain dan optimisasi struktur epitaksi, studi perilaku operasi dan mekanisme fisika perangkat, dan perbaikan teknologi pembuatan, terutama difokuskan pada chip besar, kepadatan kerja arus tinggi, dan daya input/output tinggi [12, 13]. Utamanya, wilayah aktif LED nitrida telah berkembang dari heterostruktur paling sederhana dan sumur kuantung tunggal (QW) pada tahap awal menjadi MQW saat ini dengan 5 periode QW, dan jumlah QW bahkan dapat mencapai 8 atau 10 untuk beberapa perangkat daya tinggi yang dikomersiialkan [14,15,16,17]. EBL diusulkan untuk memblokir kebocoran elektron pada injeksi arus tinggi, meskipun ia juga dapat menghambat injeksi lubang pada tingkat tertentu [18, 19]. Untuk LED daya tinggi konvensional, masalah yang paling substansial adalah penurunan efisiensi kuantum eksternal (EQE) dengan peningkatan kepadatan arus, yang dikenal sebagai penurunan efisiensi. Mekanisme intrinsik dari perilaku ini terkait dengan rekombinasi Auger tidak langsung pada kepadatan pembawa yang ditinjapkan tinggi [20]. Seperti dalam pembuatan, teknik flip-chip tipis-film dan geometri injeksi vertikal dikembangkan untuk memperluas tingkat daya LED nitrida [21, 22].

Kemajuan yang signifikan telah dicapai untuk LED nitrida daya tinggi ukuran besar tradisional, dan beberapa pelajaran yang dipelajari dapat dimanfaatkan untuk studi micro-LED. Namun, micro-LED masih sangat berbeda dari sisi daya tinggi mereka. Perilaku operasi, mekanisme, dan kondisi micro-LED yang berbeda dapat menghasilkan tantangan dan jalur penelitian yang berbeda [23, 24]. Untuk LED tradisional, puncak EQE terletak pada kepadatan arus tinggi, dan kepadatan kerja arus tinggi dan di luar puncak efisiensi (> 30 A cm⁻²). Namun untuk tampilan emisif micro-LED, kepadatan kerja arus harus jauh lebih rendah dan sering dalam rentang 0,02 hingga 2 A cm⁻² [24]. Pada kepadatan arus rendah ini, EQE LED nitrida tradisional sangat rendah dan tidak cukup untuk aplikasi tampilan micro-LED praktis. Dengan memanfaatkan manfaat V-pit untuk menyaring celurah dan meningkatkan injeksi lubang, Zhang dan rekan-rekannya telah menciptakan LED berbasis InGaN yang efisien dengan puncak efisiensi hingga 24,0% pada 0,8 A/cm². Namun, chip LED yang dilaporkan oleh Zhang et al. masih terbatas pada ukuran tradisional (1 mm × 1 mm), yang jauh lebih besar daripada micro-LED [25]. Selain itu, banyak karya telah melaporkan bahwa IQE dan EQE micro-LED menurun seiring dengan pengurangan ukuran chip [26,27,28]. Degradasi bergantung ukuran ini terutama disebabkan oleh rekombinasi permukaan dan kerusakan sisi yang diinduksi oleh etsing kering bantu plasma. Efek sisi ini berkontribusi pada rekombinasi non-radiatif SRH, kemudian menurunkan efisiensi kuantum, dan menjadi jauh lebih serius dengan ukuran chip yang lebih kecil karena luas permukaan/sisi spesifik yang lebih besar dibandingkan wilayah aktif perangkat [29,30,31]. Untuk mengatasi masalah ini, pasivasi sisi dengan materi dielektrik dan etsing basah menggunakan asam hidroflorida dikoreksi atau metode fotoelektrokimia diusulkan untuk meminimalkan efek ini hingga tingkat tertentu untuk micro-LED [31,32,33]. Namun, bahkan ditingkatkan oleh pasivasi sisi, puncak EQE micro-LED (dengan ukuran lebih kecil dari 60 μm) masih lebih rendah dari 25%, dan secara dramatis menurun hingga beberapa persen pada kepadatan arus lebih rendah dari 2 A cm⁻² [34, 35]. Khususnya untuk micro-LED merah berbasis InGaN, EQE yang saat ini dilaporkan cukup terbatas pada lebih rendah dari 1%, karena polarisasi yang kuat dan kualitas kristal yang buruk [0,2%) untuk tampilan mini. Appl Phys Express 14:011004" href="/articles/10.1186/s11671-021-03557-4#ref-link-section-d295113462e757">36]. Selain itu, dengan pengurangan ukuran chip, posisi puncak EQE juga bergerak ke kepadatan arus yang lebih tinggi, yang akan lebih menghambat efisiensi tinggi pada kepadatan arus rendah [26].

Oleh karena itu, meningkatkan efisiensi kuantum pada kepadatan arus rendah menjadi tantangan besar dan masalah ilmiah kritis untuk aplikasi tampilan emisif micro-LED. Untuk tujuan ini, puncak efisiensi harus ditingkatkan, dan posisi awal efisiensi harus digeser ke kepadatan arus yang lebih rendah yang sesuai. Karya sebelumnya terutama berfokus pada perbaikan teknologi pembuatan seperti pasivasi sisi. Untuk meningkatkan efisiensi, menyelidiki perilaku operasi dan mekanisme fisika micro-LED pada kepadatan arus rendah, yang masih relatif belum dieksplorasi dan kurang dipahami, juga esensial. Selain itu, untuk menciptakan perangkat yang dapat meningkatkan efisiensi pada kepadatan arus rendah dengan nilai maksimum, struktur epitaksi micro-LED juga perlu dirancang ulang dan dioptimalkan, yang harus cukup berbeda dari sisi daya tinggi input/output tradisional mereka. Untuk saat ini, struktur epitaksi yang dirancang khusus untuk tampilan emisif micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah masih kurang.

Dalam karya ini, tantangan unik micro-LED untuk aplikasi tampilan yang beroperasi pada kepadatan arus rendah ditekankan, dan solusi potensial untuk mengatasi mereka diusulkan. Menggunakan perangkat lunak Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37], kami menyelidiki secara numerik perilaku operasi dan mekanisme fisika micro-LED InGaN pada berbagai kepadatan arus dari 200 hingga 0,1 A/cm². Diagram bandas, fungsi gelombang, dan medan polarisasi disimulasikan dan dianalisis untuk QCSE micro-LED, dan QCSE yang lebih parah pada kepadatan arus rendah dikonfirmasi. Pengaruh jumlah QW, konsentrasi dopings tipe p dan EBL AlGaN pada transportasi pembawa, kecocokan pembawa, rekombinasi radiatif dan efisiensi kuantum micro-LED diselidiki secara sistematis. Efek dan mekanisme mengenai rekombinasi SRH dan Auger juga dibahas. Berdasarkan simulasi dan analisis, struktur epitaksi yang dioptimalkan yang dirancang khusus untuk micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah diusulkan.

Struktur Perangkat dan Metode Simulasi

Dalam studi ini, struktur umum micro-LED biru InGaN dengan ukuran chip persegi panjang 60 × 60 μm dan panjang gelombang puncak emisi sekitar 465 nm digunakan untuk simulasi. Gambar 1 menunjukkan bahwa micro-LED biru terdiri dari lapisan GaN n 200 nm, wilayah aktif MQW, lapisan EBL Al_0.15Ga_0.85N p 20 nm dan lapisan GaN p 150 nm. Wilayah aktif MQW terdiri dari 8, 5, 3, 2 atau 1 periode dengan QW In_0.25Ga_0.75N tebal 2,5 nm yang diembeddi dalam QB In_0.05Ga_0.95N tebal 10 nm. Komposisi In MQW disesuaikan dan dioptimalkan untuk mencapai panjang gelombang emisi biru yang diinginkan. Konsentrasi dopings GaN n, EBL AlGaN p, dan GaN p masing-masing 2 × 10¹⁸ cm⁻³, 3 × 10¹⁸ cm⁻³, dan 1 × 10¹⁹ cm⁻³.

Properti optik dan listrik micro-LED diteliti secara numerik menggunakan perangkat lunak Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37]. Dalam simulasi, 50% densitas muatan antarmuka yang disebabkan oleh polarisasi spontan dan piezoelektrik diasumsikan [38]. Kecuali disebutkan secara khusus, umur hidup SRH dan koefisien rekombinasi Auger diatur masing-masing 100 ns dan 1 × 10^–31 cm⁶s⁻¹ [39, 40]. Rasio offset bandas diasumsikan 0,7/0,3 [41], efisiensi ekstraksi cahaya diatur tetap pada 70%, dan suhu operasi 300 K. Parameter materi lainnya yang digunakan dalam simulasi dapat ditemukan dalam Ref [42].

Hasil dan Pembahasan

Efisiensi stop kontak (WPE) LED dapat dinyatakan sebagai berikut:

$${\text{WPE}} = \frac{{P_{{{\text{out}}}} }}{{I_{{{\text{op}}}} \times V}} = \eta_{{{\text{EQE}}}} \frac{\hbar \omega }{{e \times V}} = \eta_{{{\text{EQE}}}} \times \eta_{{{\text{elect}}}} ,$$ (1)

di mana P_out menunjukkan daya optik keluaran, I_op adalah arus operasi, V adalah tegangan penggerak, ℏω adalah energi foton, dan η_elect adalah efisiensi listrik. EQE η_EQE adalah hasil perkalian efisiensi injeksi arus (CIE) η_CIE, IQE η_IQE dan efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) η_LEE, seperti yang dijelaskan oleh persamaan berikut:

$$\eta_{{{\text{EQE}}}} = \eta_{{{\text{CIE}}}} \times \eta_{{{\text{IQE}}}} \times \eta_{{{\text{LEE}}}} .$$ (2)

Selanjutnya, menurut model ABC [43], η_IQE dapat dinyatakan sebagai berikut:

$$\eta_{{{\text{IQE}}}} = \frac{{R_{{{\text{rad}}}} }}{{R_{{{\text{rad}}}} + R_{{{\text{SRH}}}} + R_{{{\text{Auger}}}} }},$$ (3)

di mana R_rad adalah laju rekombinasi radiatif, R_SRH adalah laju rekombinasi non-radiatif SRH, dan R_Auger adalah laju rekombinasi Auger. Gambar 1 menunjukkan berbagai jenis efisiensi dan mekanisme serta faktor fisik yang terkait.

R_rad dan CIE harus dimaksimalkan, efisiensi listrik dan LEE harus ditingkatkan, dan rekombinasi SRH dan Auger harus dikurangi untuk meningkatkan efisiensi keseluruhan micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah. Pendekatan sistem diperlukan untuk mengatasi semua tantangan ini. Kecuali ekstraksi cahaya, tantangan ini akan dibahas dalam bagian-bagian berikutnya, dan solusi potensial untuk menciptakan struktur epitaksi micro-LED yang efisien juga akan diusulkan.

QCSE pada Kepadatan Arus Rendah: Medan Polarisasi Internal

QCSE yang diinduksi polarisasi adalah salah satu faktor dominan yang membatasi IQE LED nitrida [44]. QCSE telah banyak diteliti untuk LED daya tinggi ukuran besar tradisional, tetapi masih kurang diskusi yang cukup dalam konteks aplikasi micro-LED yang spesifik. Oleh karena itu, efek penting ini pertama kali diteliti. Wilayah aktif micro-LED yang dibahas di sini dibangun oleh 5 periode QW, yang merupakan jumlah QW yang paling umum digunakan untuk LED nitrida tradisional.

Gambar 2a menunjukkan diagram bandas energi dan fungsi gelombang elektron dan lubang level pertama dari QW kelima pada 200 dan 0,1 A/cm². QB dan QW mengalami pembentukan bandas yang besar, yang mengakibatkan pemisahan spasial fungsi gelombang elektron dan lubang. Selain itu, pembentukan bandas lebih kuat pada kepadatan arus rendah, yang menunjukkan QCSE yang lebih kuat. Fenomena ini disebabkan oleh efek penyaringan yang lemah dengan pembawa non-seimbang yang lebih sedikit pada injeksi arus rendah (lihat Berkas Tambahan 1: Gambar S1a-d, dan diskusi terkait) [41]. Gambar 2b menunjukkan bahwa QCSE yang lebih parah meningkatkan pemisahan spasial fungsi gelombang pembawa pada kepadatan arus rendah, yang mengarah pada laju rekombinasi radiatif yang lebih rendah. Laju rekombinasi radiatif dan spektrum EL tanpa dan dengan efek polarisasi, yaitu, tanpa dan dengan QCSE, lebih lanjut dihitung untuk menunjukkan secara kuantitatif bagaimana pemisahan elektron-lubang mengurangi emisi pada kepadatan arus rendah. Gambar 2c, d menunjukkan bahwa intensitas integral laju rekombinasi radiatif dan intensitas EL berkurang sekitar 84,0% dan 72,3% oleh QCSE, masing-masing. Hasil ini menunjukkan bahwa meningkatkan efisiensi untuk micro-LED lebih sulit daripada sisi daya tinggi tradisional mereka karena QCSE yang ditingkatkan pada kepadatan arus rendah.

Selain itu, kontrol panjang gelombang emisi yang akurat dan stabil pada berbagai kepadatan injeksi arus sangat penting untuk tampilan micro-LED, karena itu menentukan parameter penting seperti kecerahan, akurasi warna, dan saturasi. Namun, QCSE yang lebih parah pada kepadatan arus rendah membuat ini menjadi tantangan besar, terutama untuk micro-LED hijau dan merah yang memerlukan komposisi Indium yang lebih tinggi. Sebagai hasil langsung dari pembentukan bandas yang meningkat dalam QW InGaN dengan komposisi Indium yang lebih tinggi dan QCSE yang lebih kuat, pergeseran panjang gelombang terhadap kepadatan arus menjadi lebih terasa karena efek penyaringan. Spektrum EL micro-LED merah, hijau, dan biru berbasis InGaN dengan berbagai kepadatan arus lebih lanjut dihitung untuk menunjukkan bagaimana pergeseran spektrum mempengaruhi titik warna di tampilan. Berkas Tambahan 1: Gambar S2 menunjukkan bahwa dari 0,1 hingga 20 A/cm², panjang gelombang puncak bergeser biru sekitar 15,8, 6,6, dan 1,7 nm untuk micro-LED merah, hijau, dan biru, masing-masing. Titik warna yang dibuat dengan menggabungkan micro-LED merah, hijau, dan biru juga dihitung, seperti yang diringkas dalam Berkas Tambahan 1: Tabel S1. Gambar 2e menggambarkan diagram kromatisitas (x, y) CIE 1931 yang sesuai. Jelas, warna emisi dari micro-LED RGB sangat berubah dari hijau menjadi hijau-biru saat kepadatan arus meningkat. Nilai x CIE 1931 melintasi dari 0,1676 hingga 0,2084, dan nilai y CIE 1931 melintasi dari 0,3891 hingga 0,3106. Perubahan yang besar ini dari titik warna terhadap kepadatan arus sangat merusak performa tampilan micro-LED.

Banyak laporan telah menyarankan beberapa pendekatan untuk menekan QCSE, seperti menggunakan baris superjaring ultra tipis InGaN/AlGaN [45], MQW InGaN/GaN/AlGaN/GaN dengan lapisan baris GaN [46], MQW keriput [47], dan memasukkan lapisan penanggulang stres sebelum MQW [48]. Namun QCSE diinduksi oleh properti intrinsik materi nitrida bidang c. Beberapa penyesuaian MQW tidak cukup untuk menekan efek ini sepenuhnya. Akhirnya, efisiensi yang layak telah dicapai untuk LED nitrida non-polar. Jika biaya substrat GaN non-polar dapat diturunkan, LED non-polar dapat menjadi solusi ideal untuk mengurangi QCSE dan merealisikan emisi warna penuh stabil [49].

Transportasi dan Kecocokan Pembawa

Densitas arus elektron (J_n) dan lubang (J_p) dapat dinyatakan sebagai berikut:

$$J_{n} = \sigma_{n} \left| {\varvec{E}} \right| = nq\mu_{n} \left| {\varvec{E}} \right|,$$ (4) $$J_{p} = \sigma_{p} \left| {\varvec{E}} \right| = pq\mu_{p} \left| {\varvec{E}} \right|,$$ (5)

di mana σ_n dan σ_p menunjukkan konduktivitas, n dan p adalah konsentrasi, μ_n dan μ_p adalah mobilitas untuk elektron dan lubang, masing-masing, dan E menunjukkan medan listrik. Di nitrida, konsentrasi lubang satu orde besar lebih rendah dibandingkan elektron [50], dan mobilitas lubang dua orde besar lebih rendah dibandingkan elektron [51]. Asimetri konsentrasi dan mobilitas ini mengakibatkan ketidakkocokan fluks pembawa (J_n > J_p) dan merusak performa LED dalam dua cara berikut.

Efisiensi injeksi arus: Efisiensi injeksi arus η_CIE mewakili rasio arus rekombinasi J_recomb terhadap total arus J_total, seperti persamaan berikut [52]:

$$\eta_{{{\text{CIE}}}} = \frac{{J_{{{\text{recomb}}}} }}{{J_{{{\text{total}}}} }} = \frac{{J_{{n{\text{ - recomb}}}} + J_{{p{\text{ - recomb}}}} }}{{J_{n} + J_{p} }} = \frac{{2 \times J_{p} }}{{J_{n} + J_{p} }}.$$ (6)

J_recomb tergantung pada salah satu dari arus pembawa yang lebih kecil, yaitu arus lubang. Persamaan (6) mengonfirmasi bahwa ketidakkocokan pembawa (J_n > J_p) membatasi pemaksiman CIE.

Laju rekombinasi radiatif: Laju rekombinasi radiatif R_rad dijelaskan oleh aturan golden Fermi sebagai persamaan berikut:

$$R_{{{\text{rad}}}} = C \times \smallint {\text{d}}E_{cv} hv_{cv} \left| {\overline{{M_{T} }} \left( {E_{cv} } \right)} \right|^{2} \rho_{r} \left( {E_{cv} } \right)f_{v} \left( {1 - f_{c} } \right),$$ (7)

di mana C adalah konstanta, E_cv adalah energi transisi, h adalah konstanta Planck, ν_cv adalah frekansi cahaya yang dihasilkan, ρ_r adalah densitas keadaan yang terkurangi, f_c dan f_v adalah distribusi Fermi–Dirac, dan |M_T|² adalah elemen matriks momentum [53]. Kurang lubang dan akumulasi elektron tambahan di QW dapat mengakibatkan perlebaran kristal dan pembentukan stres regangan. Di bawah variasi stres ini, densitas muatan tingkat kuantum di sekitar maksimum bandas valensi berkurang. Ini lebih lanjut menurunkan probabilitas transisi optik dan mengurangi R_rad sesuai dengan Eq. (7). Dengan cara ini, ketidakkocokan pembawa lokal dalam satu QW juga membatasi IQE. Diskusi yang lebih spesifik tentang topik ini dapat ditemukan dalam laporan sebelumnya [54,55,56].

Dalam bagian-bagian berikutnya, pengaruh jumlah QW, konsentrasi dopings tipe p, dan struktur EBL pada transportasi pembawa akan dianalisis untuk menentukan kondisi kecocokan pembawa terbaik. Akhirnya, struktur epitaksi yang dioptimalkan untuk tampilan micro-LED yang efisien yang beroperasi pada kepadatan arus rendah akan diusulkan.

Ketidakkocokan Pembawa dalam 5QW

Pertama, properti transportasi pembawa micro-LED biru dengan 5QW disimulasikan. Distribusi konsentrasi pembawa pada 200 A/cm² dan 0,1 A/cm² diilustrasikan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S3a dan b, masing-masing. Distribusi yang tidak homogen dalam 5 QW dapat diamati baik pada kepadatan arus tinggi maupun rendah. Berkas Tambahan 1: Gambar S3c dan d menunjukkan bahwa mobilitas elektron dalam MQW (684 cm²V⁻¹ s⁻¹) dua orde besar lebih tinggi dibandingkan mobilitas lubang (10 cm²V⁻¹ s⁻¹). Oleh karena itu, elektron mungkin hanya diinjeksikan ke dalam, lalu melewati MQW tanpa ikut serta dalam rekombinasi, yang mengakibatkan masalah kebocoran elektron dan CIE rendah [51].

Gambar 3a menunjukkan distribusi densitas arus elektron dan lubang pada 200 A/cm². Total densitas arus lubang (217,4 A/cm²) hanya 65,2% dari elektron (333,3 A/cm²), yang menunjukkan ketidakkocokan pembawa yang parah dan CIE rendah. Arus kebocoran elektron setinggi 116,0 A/cm², yang merusak baik efisiensi radiatif maupun injeksi lubang. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b, arus kebocoran elektron hanya 0,01 A/cm², dan η_CIE yang dihitung setinggi 95% pada 0,1 A/cm². Hasil ini menunjukkan bahwa mencapai CIE tinggi lebih mudah pada kepadatan arus rendah. Namun, kecuali QW ke-5 di mana J_p dapat sama dengan J_n, ketidakkocokan pembawa dan akumulasi elektron tambahan cukup parah dalam empat QW lainnya (QW 1, 2, 3 dan 4) baik pada kepadatan arus tinggi maupun rendah. Pada 200 A/cm², densitas arus elektron dari empat QW ini adalah 120, 43, 16 dan 5 kali lebih tinggi dibandingkan densitas arus lubang (Gambar 3a). Pada 0,1 A/cm², mereka 23, 9, 4, dan 2 kali lebih tinggi dibandingkan arus lubang (Gambar 3b). Berdasarkan Eq. (7), ketidakkocokan pembawa yang besar ini secara jelas menurunkan laju rekombinasi radiatif dari empat QW ini. Oleh karena itu, laju rekombinasi radiatif dalam empat QW ini hanya sekitar 3,4%, 4,0%, 10,1%, dan 34,2% pada 200 A/cm², dan 11,3%, 10,1%, 10,7% dan 21,2% pada 0,1 A/cm² dibandingkan QW ke-5. Ketidakkocokan pembawa dan emisi radiatif rendah ini pada akhirnya mengurangi efisiensi monolitik micro-LED.

Faktor yang Mempengaruhi Transportasi dan Kecocokan Pembawa

Jumlah QW: Untuk LED ukuran besar tradisional yang beroperasi pada kepadatan arus tinggi, MQW dengan 5, bahkan 8 atau 10 periode harus digunakan untuk mencapai daya optik keluaran tinggi. Namun, untuk tampilan emisif micro-LED, daya keluaran jauh lebih kecil dan kepadatan kerja arus jauh lebih rendah. Seperti yang dibahas di bagian sebelumnya, bahkan pada kepadatan arus rendah, ketidakkocokan pembawa masih cukup parah dalam 5QW, dan hanya satu QW yang dapat mencapai kondisi kecocokan terbaik. Dari sudut pandang ini, untuk micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah, wilayah aktif dengan jumlah QW yang lebih sedikit harus menjadi desain yang lebih baik untuk meningkatkan efisiensi karena kecocokan pembawa yang ditingkatkan.

Efek jumlah QW pada micro-LED diselidiki untuk memverifikasi asumsi kami. Gambar 4a–f menunjukkan densitas arus pembawa dan laju rekombinasi radiatif pada 0,1 A/cm² dari LED dengan 3QW, 2QW, dan 1QW, masing-masing. Kurva arus hanya memiliki satu titik perpotongan (satu titik kecocokan pembawa terbaik, J_n = J_p) karena kecenderungan menurun monoton dari arus, tetapi dengan lebih sedikit QW, dalam kasus 3QW dan 2QW, dua titik perpotongan dapat dicapai di dua QW yang berbeda (Gambar 4a, b). Dengan kata lain, ketidakkocokan pembawa dalam MQW dapat sebagian diatasi dengan lebih sedikit QW. Khususnya untuk 2QW, dengan penyesuaian yang tepat, kecocokan sempurna fluks pembawa dapat dicapai di kedua QW. Laju rekombinasi radiatif juga lebih tinggi dalam 2QW dibandingkan 3QW dan 5QW karena konsumsi pembawa oleh rekombinasi radiatif lebih terkonsentrasi di wilayah aktif dengan lebih sedikit QW (Gambar 3d, 4d, e). Tidak diragukan lagi, kecocokan pembawa terbaik ada di LED dengan hanya satu QW, dan laju rekombinasi radiatif juga paling tinggi untuk 1QW, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4c, f.

Gambar 5a, b menunjukkan IQE sebagai fungsi dari kepadatan arus antara 0 hingga 200 A/cm² dan 0 hingga 10 A/cm², masing-masing. Untuk kepadatan arus lebih tinggi dari 50 A/cm², IQE menurun ketika jumlah QW dikurangi. Sebaliknya, IQE dengan kepadatan arus lebih rendah dari sekitar 30 A/cm² meningkat ketika jumlah QW berkurang. Pada 0,1 A/cm², nilai IQE untuk 8, 5, 3, 2, dan 1 QW adalah 55%, 62%, 69%, 77%, dan 78%, masing-masing. Selain itu, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5b, posisi puncak IQE juga bergeser dari 6,0 A/cm² dalam 8 QW ke kepadatan arus terendah sekitar 1,2 A/cm² dalam 2QW. Kurva IQE pada kepadatan arus rendah (< 1 A/cm²) juga menjadi lebih curam dan tajam dengan jumlah QW yang lebih rendah, yang menunjukkan bahwa mencapai efisiensi tertinggi lebih mudah dan lebih cepat. Ini sangat bermanfaat untuk meningkatkan efisiensi pada kepadatan arus rendah. Mekanisme fisika di balik kecenderungan IQE ini dapat dijelaskan oleh kecocokan fluks pembawa yang lebih baik, dan emisi radiatif yang lebih terkonsentrasi dan lebih kuat di wilayah aktif dengan jumlah QW yang lebih sedikit. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5c, dibandingkan 8 QW, intensitas EL integral dari 5, 3, 2, dan 1 QW pada 0,1 A/cm² meningkat sekitar 6,1%, 14,8%, 28,4%, dan 32,1%, masing-masing. Hasil ini mengonfirmasi bahwa tidak hanya efisiensi tetapi juga daya keluaran ditingkatkan dengan jumlah QW yang lebih sedikit.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa 1QW memiliki intensitas EL tertinggi dan mungkin struktur terbaik untuk micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah. Namun, secara eksperimental, sulit untuk menanam epitaksial hanya satu QW yang memiliki permukaan datar dan antarmuka tajam. Selain itu, untuk struktur 1QW, posisi puncak IQE meningkat sedikit menjadi 2,9 A/cm², dan bentuk kurva IQE juga berubah sedikit. Ini dapat dijelaskan oleh keadaan khusus dari QW tunggal. Dibandingkan QW lainnya, QW yang bersebelahan dengan EBL memiliki lingkungan polarisasi khusus dan dianggap sebagai "QW bermasalah." Topik ini akan dibahas lebih detail di bagian EBL AlGaN. Mempertimbangkan alasan-alasan ini, 2QW harus menjadi desain wilayah aktif terbaik, yang memiliki kecocokan fluks pembawa yang baik yang sama, nilai IQE yang dekat, dan intensitas EL dengan 1QW. Oleh karena itu, dalam bagian-bagian berikutnya, semua simulasi didasarkan pada micro-LED dengan 2QW.

Konsentrasi dopings p-GaN: Performa LED 2QW dengan berbagai konsentrasi dopings tipe p di p-GaN selanjutnya diselidiki. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6a, ketika konsentrasi dopings p-GaN meningkat dari 1 × 10¹⁸ cm⁻³ hingga 5 × 10¹⁹ cm⁻³, laju rekombinasi radiatif pada 0,1 A/cm² lebih meningkat sekitar 3,1% dan 3,0% untuk kedua QW. Gambar 6b menunjukkan bahwa total densitas arus lubang meningkat dari 0,157 hingga 0,162 A/cm², sementara, densitas arus kebocoran elektron berkurang dari 0,009 hingga 0,005 A/cm² dengan peningkatan konsentrasi dopings. Perlu dicatat bahwa arus rekombinasi di QW di dekat sisi n lebih tinggi daripada QW di dekat sisi p (Gambar 6b). Oleh karena itu, laju rekombinasi radiatif di dekat QW sisi n juga sedikit lebih tinggi daripada di dekat QW sisi p. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6c, seseorang dapat menemukan bahwa hambatan energi untuk pembawa di EBL, yang didefinisikan sebagai jarak energi antara tingkat quasi-Fermi elektron/lubang dan bandas konduksi tertinggi atau bandas valensi terendah, hampir tidak berubah di bawah konsentrasi dopings p-GaN yang berbeda, yaitu, injeksi lubang tidak ditingkatkan dengan meningkatkan konsentrasi dopings. Gambar 6d menunjukkan konsentrasi lubang rata-rata di p-GaN dan QW. Konsentrasi lubang di p-GaN hampir bergantung eksponensial pada konsentrasi dopings. Di dalam QW, konsentrasi lubang meningkat sekitar dua kali dari 1,59 × 10¹⁹ cm⁻³ hingga 3,08 × 10¹⁹ cm⁻³ dengan konsentrasi dopings yang lebih tinggi. Hasil ini menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi lubang adalah kontribusi utama untuk peningkatan rekombinasi radiatif. Oleh karena itu, bahkan pada kepadatan arus rendah, masalah dopings tipe p nitrida tetap signifikan, dan meningkatkan efisiensi dopings dan konsentrasi lubang masih bermanfaat untuk efisiensi micro-LED.

EBL AlGaN: Dalam beberapa dekade terakhir, EBL tipe p AlGaN tebal 10–20 nm telah menjadi struktur standar untuk LED berbasis nitrida tradisional. EBL ini dianggap untuk mencegah kebocoran elektron dan menekan penurunan efisiensi di bawah injeksi arus tertinggi. Meskipun demikian, perlu dicatat bahwa EBL masih merupakan struktur yang sangat rumit dan halus untuk LED. Ini melibatkan banyak faktor penting, termasuk komposisi Al, efisiensi dopings tipe p AlGaN, rasio offset bandas, dan efek polarisasi. Setiap faktor dapat mempengaruhi struktur bandas dan transportasi pembawa secara signifikan, lalu menentukan efektivitas EBL. Untuk konstruksi EBL, ketebalan, komposisi, dan konsentrasi dopings harus dipertimbangkan dan dioptimalkan dengan cermat untuk menyeimbangkan peningkatan konfinemen elektron dan pemblokiran injeksi lubang, jika tidak, hal sebaliknya dapat terjadi, dan performa LED mungkin menurun. Untuk micro-LED, efektivitas EBL untuk operasi pada kepadatan arus rendah harus dipertimbangkan ulang, yang mungkin berbeda dengan kasus LED input/output tradisional yang tinggi.

a. Konsentrasi dopings EBL: Pertama, efek konsentrasi dopings EBL pada transportasi pembawa pada kepadatan arus rendah diselidiki. Ketebalan dan komposisi Al EBL diatur tetap sebesar 20 nm dan 0,15, masing-masing. Mempertimbangkan keberlarahan rendah dopant Mg di AlGaN, degradasi kristal, dan efek kompensasi oleh over-doping [50], konsentrasi dopings EBL pertama diatur sebesar 3 × 10¹⁸ cm⁻³. Gambar 7a menunjukkan struktur bandas energi yang sesuai. Jelas, meskipun terdapat EBL, kebocoran elektron keluar dari QW masih dapat disebabkan oleh konfinemen elektron yang tidak memadai karena pembentukan bandas ke bawah QW terakhir dan EBL. Lembah energi baru di bawah tingkat quasi-Fermi elektron muncul di antarmuka QB terakhir dan EBL. Jadi, elektron akan melarikan diri dari QW dan mengakumulasi di daerah ini. Distorsi struktur bandas ini membuat EBL relatif tidak efektif, dan ini dapat diatribusikan pada efek polarisasi. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7c, polarisasi yang kuat menginduksi sejumlah besar muatan di antarmuka. Karena muatan polarisasi yang tidak seimbang positif di antarmuka QB/EBL terakhir, medan elektrostatis yang besar yang bertitik dari sisi p ke sisi n terbangun di QB terakhir, yang berlawanan dengan medan di QB dan EBL lainnya. Medan elektrostatis ini menarik turun bandas energi QB terakhir dan EBL. Selain itu, medan listrik di QW terakhir dan QB terakhir sama-sama dapat menarik elektron dan mendorong mereka keluar dari wilayah aktif menuju lapisan p. Ini dapat diamati dalam diagram konsentrasi pembawa, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7d. Garis titik hitam menunjukkan bahwa sebagian elektron melarikan diri dari wilayah aktif dan mengakumulasi di antarmuka QB/EBL terakhir. Di EBL dan p-GaN, arus kebocoran elektron tetap relatif tinggi.

Di sisi lain, EBL juga memperkenalkan hambatan potensi sebesar 480 meV untuk injeksi lubang. Selain itu, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7a, c, lembah energi yang dekat dengan tingkat quasi-Fermi lubang muncul di daerah antarmuka antara EBL/p-GaN karena efek polarisasi. Seperti yang ditunjukkan oleh garis hitam padat Gambar 7d, sebagian besar lubang dicegah oleh EBL dan akibatnya mengakumulasi di lembah energi antarmuka EBL/p-GaN. Akibat transportasi pembawa yang tidak efisien ini, QW terakhir dianggap sebagai "QW bermasalah," dan EBL hanya memiliki kemampuan rendah untuk konfinemen elektron, dan harus bertanggung jawab atas injeksi lubang yang buruk. Dibandingkan LED input/output tradisional yang tinggi, ketidakefektifan fungsi EBL yang diinduksi polarisasi ini dapat menjadi sangat parah untuk micro-LED karena efek polarisasi yang ditingkatkan oleh penyaringan pembawa yang lebih sedikit pada kepadatan arus rendah.

Rekayasa bandas dengan meningkatkan konsentrasi dopings EBL adalah metode yang mungkin untuk meningkatkan konfinemen elektron dan injeksi lubang. Energi aktivasi dopant Mg di EBL AlGaN lebih tinggi dibandingkan GaN, oleh karena itu, bahkan di bawah konsentrasi dopings yang serupa, konsentrasi lubang aktif di EBL tetap jauh lebih rendah dibandingkan p-GaN. Konsentrasi lubang yang lebih rendah dapat lebih memisahkan tingkat quasi-Fermi lubang dan bandas valensi, lalu meningkatkan tinggi hambatan. Berdasarkan analisis ini, konsentrasi dopings EBL perlu jauh lebih tinggi daripada p-GaN. Mempertimbangkan batasan dopings dalam eksperimen aktual, 6 × 10¹⁹ cm⁻³ dipilih sebagai konsentrasi dopings baru di EBL. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7b, dengan meningkatkan konsentrasi dopings, bandas valensi EBL diangkat karena penyelarasan tingkat quasi-Fermi lubang, menghasilkan hambatan energi lubang yang berkurang sebesar 281 meV. Selain itu, dopings tipe p yang tinggi juga membantu menurunkan tingkat quasi-Fermi elektron relatif terhadap bandas konduksi di EBL, sehingga meningkatkan hambatan efektif untuk kebocoran elektron menjadi 1175 meV. Perubahan ini meningkatkan konfinemen elektron dan injeksi lubang. Gambar 7d menunjukkan bahwa dibandingkan dengan konsentrasi dopings 3 × 10¹⁸ cm⁻³, konsentrasi lubang di wilayah aktif sangat meningkat, dan arus kebocoran elektron di EBL dan p-GaN berkurang hingga hampir nol. Namun, lembah energi di antarmuka antara EBL/p-GaN masih ada. Selain itu, naiknya bandas valensi juga memperkenalkan lembah energi baru untuk akumulasi lubang di antarmuka antara QB terakhir/EBL, yang dapat dikonfirmasi oleh distribusi konsentrasi lubang dalam Gambar 7d. Lembah energi ini dapat menghambat injeksi lubang ke QW, sehingga mengkompensasi keuntungan dari konsentrasi dopings yang tinggi.

b. Komposisi Al EBL: Dibandingkan dengan peningkatan konsentrasi dopings, pengurangan komposisi AlGaN EBL mungkin menjadi metode yang lebih mudah dan lebih efisien untuk meningkatkan transportasi pembawa pada kepadatan arus rendah. Efektivitas EBL sangat bergantung pada komposisi Al, offset bandas, dan efek polarisasi. Meningkatkan komposisi Al EBL dapat meningkatkan offset bandas antara QB terakhir/EBL, yang meningkatkan tinggi hambatan elektron. Namun, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8a, muatan polarisasi yang diinduksi di antarmuka juga meningkat sesuai, yang menarik turun tinggi hambatan elektron. Dua mekanisme memiliki efek yang berlawanan untuk mengkonfin elektron.

Berdasarkan analisis ini, transportasi pembawa micro-LED 2QW dengan berbagai struktur EBL pada 200 dan 0,1 A/cm² diselidiki. Hasil tinggi hambatan energi efektif dari berbagai EBL diringkas dalam Tabel 1. Pertama, baik hambatan energi elektron maupun lubang pada kepadatan arus rendah jauh lebih tinggi dibandingkan kasus pada kepadatan arus tinggi karena populasi pembawa non-seimbang yang lebih rendah. Tinggi hambatan energi dapat meningkatkan konfinemen elektron, tetapi juga sangat menghambat injeksi lubang pada kepadatan arus rendah. Ini menunjukkan bahwa pengaruh EBL pada transportasi pembawa micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah jauh lebih tinggi dibandingkan LED input/output tradisional yang tinggi. Tabel 1 juga menunjukkan bahwa dengan komposisi Al yang relatif rendah di EBL, hambatan elektron berkurang seiring dengan peningkatan komposisi Al, yang menunjukkan bahwa penurunan bandas konduksi yang diinduksi oleh efek polarisasi lebih besar dibandingkan peningkatan offset bandas yang diperkenalkan oleh komposisi Al yang lebih tinggi. Dengan peningkatan lebih lanjut komposisi, hambatan elektron meningkat seiring dengan komposisi, yang berarti offset bandas menjadi dominan dibandingkan efek polarisasi. Dibandingkan kepadatan arus tinggi, titik perubahan komposisi ini lebih tinggi pada kepadatan arus rendah karena efek polarisasi yang ditingkatkan oleh penyaringan pembawa yang lebih sedikit. Di sisi lain, karena offset bandas asli antara QB terakhir/p-GaN dan pembentukan bandas, terdapat hambatan energi untuk elektron dan lubang yang ada di antarmuka bahkan tanpa EBL. Pada 200 A/cm², ketika komposisi lebih rendah dari 0,20, hambatan energi elektron lebih rendah dibandingkan kasus tanpa EBL, tetapi hambatan lubang lebih tinggi sekitar 64 meV. Pada 0,1 A/cm², bahkan dengan komposisi lebih tinggi dari 0,20, hambatan energi elektron EBL AlGaN (523 meV) masih 151 meV lebih rendah dibandingkan kasus tanpa EBL (674 meV), tetapi hambatan lubang meningkat sekitar 76 meV dari 409 hingga 485 meV. Hasil ini menunjukkan bahwa baik konfinemen elektron maupun injeksi lubang dapat merusak oleh EBL dengan komposisi yang salah, terutama untuk micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah.

Untuk analisis yang lebih dalam, struktur bandas micro-LED dengan EBL Al_0.10Ga_0.90N dan tanpa EBL sebagai representasi diilustrasikan dalam Gambar 8b, c. EBL memperkenalkan dua lembah energi di antarmuka QB terakhir/EBL dan EBL/p-GaN untuk akumulasi elektron dan lubang, masing-masing, yang dapat dikonfirmasi oleh diagram konsentrasi pembawa dalam Gambar 8d. Oleh karena itu, konfinemen elektron dan injeksi lubang buruk untuk struktur ini. Ketika EBL dihapus, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8c, hambatan energi untuk elektron meningkat, dan lembah energi untuk ekstraksi dan akumulasi elektron menghilang. Perubahan ini mencegah kebocoran elektron secara lebih efektif, seperti yang dikonfirmasi dalam Gambar 8d. Sementara itu, tinggi hambatan untuk injeksi lubang berkurang, dan lembah energi di antarmuka EBL/p-GaN juga dihilangkan. Jadi, lubang dapat transportasi secara langsung ke QW tanpa menghadapi rintangan besar, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8c, d.

Penelitian yang cermat di atas menunjukkan bahwa tanpa EBL mungkin merupakan struktur yang lebih baik untuk micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah. Hasil simulasi mendukung saran kami. Gambar 8e menggambarkan densitas arus pembawa pada 0,1 A/cm² dengan berbagai struktur EBL. Ketika komposisi Al EBL dikurangi dari 0,15 menjadi 0,04, total densitas arus elektron dan lubang meningkat dari 0,167 dan 0,159 A/cm² menjadi 0,225 dan 0,225 A/cm², masing-masing. Selain itu, ketika EBL sepenuhnya dihapus, baik total densitas arus elektron maupun total densitas arus lubang sangat meningkat hingga 0,528 A/cm², yang sekitar 3 kali lebih tinggi dibandingkan EBL Al_0.15Ga_0.85N. Peningkatan ini dikontribusikan oleh konfinemen elektron dan injeksi lubang yang ditingkatkan.

Gambar 8f menunjukkan kurva IQE pada kepadatan arus rendah. Ketika komposisi Al EBL dikurangi dari 0,15 menjadi 0,04, nilai IQE meningkat secara jelas karena transportasi pembawa yang ditingkatkan. Namun, dengan menghapus EBL, nilai IQE mengalami penurunan kecil dibandingkan EBL Al_0.04Ga_0.96N. Ini dapat dijelaskan oleh kecocokan pembawa di dua QW. Seperti yang ditunjukkan oleh panah hijau dalam Gambar 8e, a, kecocokan pembawa yang sempurna terjadi di kedua QW dengan EBL Al_0.04Ga_0.96N. Dengan peningkatan kepadatan arus dengan menghapus EBL, kecocokan fluks elektron dan lubang sedikit terganggu di QW pertama, di mana densitas arus elektron sedikit lebih tinggi dibandingkan lubang. Oleh karena itu, IQE sedikit berkurang karena ketidakkocokan pembawa ini di satu QW.

Keunggulan micro-LED tanpa EBL masih luar biasa karena transportasi pembawa yang ditingkatkan. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8g, pada 0,1 A/cm², intensitas EL integral micro-LED tanpa EBL masing-masing 3,53, 3,23, dan 2,38 kali lebih tinggi dibandingkan LED dengan EBL Al_0.15Ga_0.85N, Al_0.10Ga_0.90N dan Al_0.04Ga_0.96N. Selain itu, seperti yang ditunjukkan dalam inset Gambar 8g, tegangan kerja pada 1 A/cm² dan 0,1 A/cm² berkurang sekitar 0,53 V dan 0,57 V dengan menghapus EBL, masing-masing. Ini meningkatkan efisiensi listrik, lalu pada akhirnya meningkatkan WPE micro-LED. Untuk mengonfirmasi lebih lanjut bahwa struktur bebas EBL adalah desain yang lebih baik untuk micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah, simulasi lain dilakukan menggunakan struktur micro-LED biru yang dilaporkan dengan efisiensi tertinggi yang diketahui. Hasil dan pembahasan dapat ditemukan dalam Materi Pendukung (Berkas Tambahan 1: Gambar S4a-d).

Struktur yang Dioptimalkan untuk Micro-LED yang Beroperasi pada Kepadatan Arus Rendah

Berdasarkan simulasi dan analisis di atas, struktur epitaksi yang dioptimalkan yang dirancang khusus untuk tampilan emisif micro-LED yang efisien yang beroperasi pada kepadatan arus rendah diusulkan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9. Tiga prinsip harus diikuti. Pertama, berlawanan dengan LED nitrida daya tinggi ukuran besar tradisional, jumlah QW micro-LED harus dikurangi menjadi hanya dua, yang memiliki kondisi yang lebih baik untuk kecocokan pembawa, emisi radiatif yang lebih terkonsentrasi, dan IQE serta WPE yang lebih tinggi. Kedua, dopings tipe p masih perlu ditingkatkan karena konsentrasi lubang dan mobilitas yang relatif rendah dibandingkan elektron di nitrida, yang menuntut strategi dopings tipe p yang lebih efisien. Ketiga, untuk meningkatkan transportasi dan kecocokan pembawa, konsentrasi dopings EBL AlGaN harus ditingkatkan secara besar-besaran, atau EBL AlGaN dapat sepenuhnya dihapus. Tanpa menggunakan EBL AlGaN, konfinemen elektron, injeksi lubang, kecocokan pembawa, IQE, dan WPE micro-LED dapat ditingkatkan secara besar-besaran pada kepadatan arus rendah.

Rekombinasi Auger dan Rekombinasi Non-Radiatif SRH

Berdasarkan Eq. (3), kecuali rekombinasi radiatif, rekombinasi SRH dan Auger juga memainkan peran kritis dalam IQE LED. Oleh karena itu, penting untuk menyelidiki efek dan mekanisme mengenai rekombinasi SRH dan Auger untuk micro-LED. Dalam bagian ini, struktur LED dengan 2QW masih digunakan, dan semua parameter simulasi sama seperti yang disebutkan dalam Metode kecuali umur hidup SRH.

Auger yang Relevan dan SRH yang Menonjol

Laju rekombinasi SRH dapat dinyatakan sebagai berikut [57]:

$$R_{{{\text{SRH}}}} = \frac{{np - n_{i}^{2} }}{{\tau_{p} \left( {n + n_{i} \exp \left( {\frac{{E_{T} }}{kT}} \right)} \right) + \tau_{n} \left( {p + n_{i} \exp \left( {\frac{{E_{T} }}{kT}} \right)} \right)}},$$ (8) $$\tau_{p} = \frac{1}{{c_{p} N_{t} }}, \tau_{n} = \frac{1}{{c_{n} N_{t} }},$$ (9) $$c_{p} = \sigma_{p} \nu_{p} , c_{n} = \sigma_{n} \nu_{n} ,$$ (10)

di mana n_i adalah konsentrasi pembawa intrinsik, τ_p dan τ_n adalah umur hidup SRH lubang dan elektron, masing-masing, E_T adalah selisih energi antara tingkat jebakan dan tingkat Fermi intrinsik, c_p dan c_n adalah koefisien tangkapan untuk elektron dan lubang, N_t adalah kepadatan jebakan, σ_p dan σ_n adalah penampang tangkapan untuk elektron dan lubang, dan ν_p dan ν_n adalah kecepatan termal rata-rata elektron dan lubang, masing-masing. Menurut Eqs. (8)-(10), rekombinasi SRH dari sebuah jebakan sepenuhnya ditentukan oleh kepadatannya, penampang tangkapan dan tingkat energinya.

Laju rekombinasi Auger diberikan oleh berikut:

$$R_{{{\text{Auger}}}} = \left( {C_{n} n + C_{p} p} \right)\left( {np - n_{i}^{2} } \right),$$ (11)

di mana C_n dan C_p adalah koefisien rekombinasi Auger.

Karena konsentrasi lubang dan elektron yang ditinjapkan jauh lebih tinggi daripada konsentrasi pembawa intrinsik di QW yang tidak di-dop (menurut hasil simulasi, konsentrasi pembawa tertinggi di QW hanya sekitar 10⁷ cm⁻³ dalam kehilangan arus injeksi eksternal), laju rekombinasi SRH dan Auger dapat lebih lanjut disederhanakan sebagai persamaan berikut:

$$R_{{{\text{SRH}}}} = \frac{np}{{\tau_{p} n + \tau_{n} p}},$$ (12) $$R_{{{\text{Auger}}}} = \left( {C_{n} n + C_{p} p} \right)np.$$ (13)

Persamaan (12) dan (13) secara jelas menunjukkan bahwa R_SRH berbanding lurus dengan pangkat pertama konsentrasi pembawa, tetapi R_Auger bergantung pada pangkat ketiga konsentrasi pembawa, yaitu, R_SRH sensitif terhadap kepadatan arus rendah, sementara R_Auger lebih dominan pada kepadatan arus tinggi.

Analisis teoretis ini sejalan dengan hasil simulasi kami. Gambar 10a, b menunjukkan laju rekombinasi radiatif, SRH, dan Auger yang dihitung pada 200 dan 0,1 A/cm², masing-masing. Pada kepadatan arus tinggi, laju rekombinasi Auger (sekitar 0,8–1,4 × 10²⁹ cm⁻³ s⁻¹) dapat dibandingkan dengan laju radiatif (sekitar 4,2–6,0 × 10²⁹ cm⁻³ s⁻¹). Faktanya, masalah substansial penurunan efisiensi pada arus penggerak tinggi kini diakui luasnya sebagai disebabkan oleh rekombinasi Auger [20]. Sementara itu, pada kepadatan arus rendah, relatif, laju rekombinasi Auger secara dramatis menurun hingga dua orde besar lebih rendah (sekitar 6,3–7,2 × 10²² cm⁻³ s⁻¹) dibandingkan rekombinasi radiatif (sekitar 3,7–4,0 × 10²⁴ cm⁻³ s⁻¹). Oleh karena itu, rekombinasi Auger harus diabaikan pada kepadatan arus rendah. Sebaliknya, dengan penurunan kepadatan arus, laju rekombinasi SRH relatif meningkat dari nilai kecil pada 200 A/cm² (dua orde besar lebih rendah dibandingkan rekombinasi radiatif) ke tingkat yang dapat dibandingkan dengan emisi radiatif pada 0,1 A/cm². Akibatnya, micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah memerlukan perbaikan pada rekombinasi SRH atau celurah bukan rekombinasi Auger.

Persyaratan Kepadatan Celurah Rendah

Menurut Eq. (9), umur hidup SRH, τ_p dan τ_n, berbanding terbalik dengan kepadatan celurah N_t. Oleh karena itu, efek kepadatan celurah dapat diestimasi dengan hanya mengubah umur hidup SRH dalam simulasi. Gambar 10c menunjukkan rasio laju rekombinasi SRH/radiatif yang dihitung pada berbagai umur hidup SRH. Dengan penurunan umur hidup SRH dari 150 hingga 50 ns, yaitu, peningkatan kepadatan celurah, rasio SRH/radiatif sedikit meningkat dari 0,01 hingga 0,03 pada 200 A/cm², tetapi sangat meningkat dari 0,15 hingga 0,43 pada 0,1 A/cm². Ini berarti bahwa persentase pembawa yang jauh lebih besar dikonsumsi oleh celurah yang menangkap pada kepadatan arus rendah. Oleh karena itu efisiensi jauh lebih sensitif terhadap kepadatan celurah pada arus rendah dibandingkan arus tinggi. Hasil IQE seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10d, e mengonfirmasi tren ini. Dengan penurunan umur hidup SRH dari 150 hingga 50 ns, IQE hanya berkurang sekitar 0,01 pada 200 A/cm², tetapi secara dramatis berkurang sekitar 0,17 pada 0,1 A/cm². Selain itu, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10f, dengan penurunan umur hidup SRH, posisi puncak IQE juga bergeser dari 3,1 A/cm² ke kepadatan arus yang lebih tinggi sebesar 9,0 A/cm², dan kurva IQE menjadi kurang curam dan tajam, yang berarti arus ambang/awal meningkat. Ini tidak menguntungkan untuk meningkatkan efisiensi micro-LED pada kepadatan arus rendah.

Dibandingkan LED ukuran besar daya tinggi tradisional yang bekerja pada kepadatan arus tinggi, micro-LED yang beroperasi pada kepadatan arus rendah jauh lebih sensitif terhadap kepadatan celurah, dan meminimalkan rekombinasi celurah adalah sangat penting untuk mencapai efisiensi tinggi. Oleh karena itu, micro-LED memerlukan kualitas kristal materi yang jauh lebih tinggi dibandingkan LED tradisional, dan memposisikan tantangan besar bagi pertumbuhan epitaksial materi dan pembuatan perangkat bagi komunitas.

Kesimpulan

Dalam ringkasan, perilaku operasi, mekanisme dan kondisi micro-LED InGaN yang beroperasi pada kepadatan arus rendah diteliti secara numerik, dan struktur epitaksi yang dioptimalkan yang dirancang khusus untuk tampilan micro-LED diusulkan. Analisis efek polarisasi menunjukkan bahwa micro-LED menderita QCSE yang lebih parah pada kepadatan arus rendah. Oleh karena itu, meningkatkan efisiensi dan mengontrol titik warna emisi lebih sulit. Transportasi pembawa dan kecocokan dianalisis untuk menentukan kondisi operasi micro-LED. Diketahui bahwa jumlah QW yang lebih sedikit dapat meningkatkan kecocokan pembawa dan mengarah pada efisiensi dan daya keluaran yang lebih tinggi pada kepadatan arus rendah. Effektivitas EBL untuk micro-LED dianalisis, dan konfinemen elektron serta injeksi lubang ditemukan meningkat secara bersamaan pada kepadatan arus rendah dengan menghapus EBL. Selain itu, simulasi telah menunjukkan bahwa rekombinasi Auger tidak relevan, tetapi rekombinasi SRH sangat mempengaruhi efisiensi micro-LED pada kepadatan arus rendah, yang telah meningkatkan persyaratan untuk kualitas kristal materi dan proses pembuatan perangkat. Studi numerik kami dapat memberikan panduan yang berharga untuk menciptakan tampilan micro-LED yang efisien dan mempromosikan penelitian di masa depan di bidang ini.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data dan analisis dalam karya saat ini tersedia dari penulis yang sesuai atas permintaan yang wajar.

Singkatan

Micro-LED:

Micro-dioda memancar cahaya

QCSE:

Efek Stark terpantul kuantum

EBL:

Lapisan pemblokir elektron

SRH:

Shockley–Read–Hall

LCD:

Tampilan kristal cair

OLED:

Dioda memancar cahaya organik

TV:

Televisi

VR:

Realitas virtual

AR:

Realitas terpadu

QW:

Sumur kuantum

MQWs:

Sumur kuantum ganda

EQE:

Efisiensi kuantum eksternal

IQE:

Efisiensi kuantum internal

QB:

Baris kuantum

WPE:

Efisiensi stop kontak

CIE:

Efisiensi injeksi arus

LEE:

Efisiensi ekstraksi cahaya