Desain Struktur Mikro-LED InGaN untuk Meningkatkan Efisiensi Kuantum pada Kepadatan Arus Rendah
Abstrak
Di sini kami melaporkan studi numerik komprehensif untuk perilaku operasi dan mekanisme fisik nitrida mikro-light-emitting-diode (mikro-LED) pada kerapatan arus rendah. Analisis untuk efek polarisasi menunjukkan bahwa mikro-LED mengalami efek Stark terbatas kuantum yang lebih parah pada kerapatan arus rendah, yang menimbulkan tantangan untuk meningkatkan efisiensi dan mewujudkan emisi penuh warna yang stabil. Pengangkutan dan pencocokan pembawa dianalisis untuk menentukan kondisi operasi terbaik dan mengoptimalkan desain struktur LED mikro pada rapat arus rendah. Terlihat bahwa jumlah sumur kuantum yang lebih sedikit di wilayah aktif meningkatkan pencocokan pembawa dan tingkat rekombinasi radiasi, yang mengarah pada efisiensi kuantum dan daya keluaran yang lebih tinggi. Efektivitas lapisan pemblokiran elektron (EBL) untuk mikro-LED dibahas. Dengan menghapus EBL, kurungan elektron dan injeksi lubang ditemukan ditingkatkan secara bersamaan, maka emisi mikro-LED ditingkatkan secara signifikan pada kerapatan arus rendah. Proses rekombinasi terkait Auger dan Shockley–Read–Hall diselidiki, dan sensitivitas terhadap cacat disorot untuk mikro-LED pada kerapatan arus rendah.
Sinopsis :QCSE yang diinduksi polarisasi, pengangkutan dan pencocokan pembawa, dan proses rekombinasi dari mikro-LED InGaN yang beroperasi pada kerapatan arus rendah diselidiki secara numerik. Berdasarkan pemahaman tentang perilaku dan mekanisme perangkat ini, struktur epitaxial yang dirancang khusus termasuk dua QW, sangat didoping atau tanpa EBL dan p-GaN dengan konsentrasi lubang tinggi untuk tampilan emisi LED mikro yang efisien diusulkan. Sensitivitas terhadap kepadatan cacat juga disorot untuk mikro-LED.
Pengantar
Grup-III nitrida berbasis dioda pemancar cahaya (LED) memiliki berbagai aplikasi termasuk sinyal, komunikasi optik, penyimpanan informasi, lampu latar, tampilan, dan pencahayaan umum (atau pencahayaan solid-state) [1, 2]. Sejak demonstrasi pertama LED mikro-disk InGaN dengan diameter 12 m oleh Jiang dan rekan kerjanya pada tahun 2000 [3, 4], LED mikro telah menerima minat akademis dan industri yang berkembang di bidang tampilan resolusi tinggi. , komunikasi cahaya tampak, bio-obat, dan penginderaan [5,6,7,8]. Dibandingkan dengan liquid-crystal display (LCD) dan organic light-emitting diode (OLED), micro-LED memiliki keunggulan ukuran kecil, resolusi tinggi, efisiensi cahaya tinggi, kecerahan tinggi, saturasi warna tinggi, masa operasi yang lama, kecepatan respon yang tinggi, dan kekokohan, yang menjadikannya kandidat paling menjanjikan untuk teknologi tampilan generasi berikutnya [9, 10]. Skenario aplikasi layar mikro-LED termasuk televisi (TV), laptop, perangkat terminal genggam dan seluler, realitas virtual (VR), augmented reality (AR), layar transparan, dan sebagainya. Menurut perkiraan Yole, pasar layar mikro-LED akan mencapai 330 juta unit pada tahun 2025 [11].
Aplikasi tradisional LED nitrida grup-III, terutama pencahayaan solid-state, membutuhkan daya keluaran optik setinggi mungkin [12]. Dalam tiga dekade terakhir, dimotivasi oleh aplikasi berdaya tinggi, penelitian modern untuk LED nitrida, termasuk desain dan optimalisasi struktur epitaksi, studi tentang perilaku pengoperasian dan mekanisme fisik perangkat, dan peningkatan teknologi fabrikasi, terutama difokuskan pada chip besar, kepadatan arus kerja yang tinggi, dan daya input/output yang tinggi [12, 13]. Terutama, wilayah aktif LED nitrida telah berevolusi dari heterostruktur paling sederhana dan sumur kuantum tunggal (QW) pada tahap awal menjadi beberapa sumur kuantum (MQW) saat ini dengan 5 periode QW, dan jumlah QW bahkan dapat mencapai 8 atau 10 untuk beberapa komersial perangkat daya tinggi [14,15,16,17]. EBL diusulkan untuk memblokir kebocoran elektron pada kerapatan arus injeksi tinggi, bahkan juga dapat menghambat injeksi lubang pada tingkat tertentu [18, 19]. Untuk LED daya tinggi konvensional, masalah yang paling penting adalah pengurangan efisiensi kuantum eksternal (EQE) dengan kepadatan arus yang meningkat, yang dikenal sebagai penurunan efisiensi. Mekanisme intrinsik dari perilaku ini terkait dengan rekombinasi Auger tidak langsung pada kepadatan pembawa yang disuntikkan tinggi [20]. Adapun fabrikasi, film tipis flip-chip dan geometri injeksi vertikal dikembangkan untuk memperluas tingkat daya LED nitrida [21, 22].
Kemajuan yang cukup besar telah dibuat untuk LED nitrida daya tinggi tradisional berukuran besar, dan beberapa pelajaran dapat dimanfaatkan untuk studi mikro-LED. Namun, mikro-LED masih jauh berbeda dari rekan-rekan mereka yang berdaya tinggi. Perilaku operasi, mekanisme, dan kondisi mikro-LED yang berbeda dapat menghasilkan tantangan dan jalur penelitian yang berbeda [23, 24]. Untuk LED tradisional, EQE puncak terletak pada rapat arus tinggi, dan rapat arus kerja tinggi dan melampaui efisiensi puncak (> 30 A cm
−2
). Namun untuk tampilan emisi LED mikro, kerapatan arus kerja harus jauh lebih rendah dan sering kali dalam kisaran 0,02 hingga 2 A cm
−2
[24]. Pada kerapatan arus yang rendah ini, EQE LED nitrida tradisional sangat rendah dan tidak cukup untuk aplikasi tampilan LED mikro yang praktis. Dengan memanfaatkan keunggulan V-pit untuk menyaring dislokasi dan meningkatkan injeksi lubang, Zhang dan rekan kerjanya telah menciptakan LED berbasis InGaN yang efisien dengan efisiensi puncak hingga 24,0% pada 0,8 A/cm
2
. Namun, chip LED dilaporkan oleh Zhang et al. masih terbatas pada ukuran tranditional (1 mm × 1 mm), yang jauh lebih besar dari mikro-LED [25]. Selain itu, banyak karya telah melaporkan bahwa efisiensi kuantum internal (IQE) dan EQE mikro-LED menurun karena ukuran chip berkurang [26,27,28]. Degradasi yang bergantung pada ukuran ini terutama dikaitkan dengan rekombinasi permukaan dan kerusakan dinding samping yang disebabkan oleh etsa kering yang dibantu plasma. Efek dinding samping ini berkontribusi pada rekombinasi non-radiatif Shockley–Read–Hall (SRH), kemudian menurunkan efisiensi kuantum, dan menjadi jauh lebih serius dengan ukuran chip yang lebih kecil karena luas permukaan/dinding samping spesifik yang lebih besar dibandingkan dengan wilayah aktif perangkat [29,30,31]. Untuk mengatasi masalah ini, pasivasi dinding samping menggunakan bahan dielektrik dan etsa basah menggunakan asam fluorida buffer atau metode fotoelektrokimia diusulkan untuk meminimalkan efek ini ke tingkat tertentu untuk mikro-LED [31,32,33]. Namun, bahkan ditingkatkan dengan pasif dinding samping, EQE puncak LED mikro (dengan ukuran lebih kecil dari 60 m) masih lebih rendah dari 25%, dan menurun drastis hingga beberapa persen pada rapat arus lebih rendah dari 2 A cm
2
[34, 35]. Khusus untuk mikro-LED merah berbasis InGaN, EQE yang dilaporkan saat ini cukup terbatas di bawah 1%, karena polarisasi yang kuat dan kualitas kristal yang buruk [0,2%) untuk layar mini. Appl Phys Express 14:011004" href="/articles/10.1186/s11671-021-03557-4#ref-CR36" id="ref-link-section-d295113462e757">36]. Selain itu, dengan pengurangan ukuran chip, posisi puncak EQE juga bergerak ke rapat arus yang lebih tinggi, yang selanjutnya akan menghambat efisiensi tinggi pada rapat arus rendah [26].
Oleh karena itu, meningkatkan efisiensi kuantum pada kerapatan arus rendah menjadi tantangan besar dan masalah ilmiah kritis untuk aplikasi tampilan emisi LED mikro. Untuk tujuan ini, efisiensi puncak harus ditingkatkan, dan posisi awal efisiensi harus digeser ke kerapatan arus yang lebih rendah yang sesuai. Pekerjaan sebelumnya terutama difokuskan pada peningkatan teknologi fabrikasi seperti pasifasi dinding samping. Untuk meningkatkan efisiensi, menyelidiki perilaku operasi dan mekanisme fisik mikro-LED pada kerapatan arus rendah, yang masih relatif belum dijelajahi dan kurang dipahami, juga penting. Selain itu, untuk membuat perangkat yang dapat meningkatkan efisiensi pada kerapatan arus rendah dengan nilai maksimum, struktur epitaxial mikro-LED juga perlu dirancang ulang dan dioptimalkan, yang seharusnya cukup berbeda dari tradisionalnya yang berukuran besar. pasangan masukan/keluaran. Untuk saat ini, struktur epitaxial yang dirancang khusus untuk tampilan emisi LED mikro yang beroperasi pada kerapatan arus rendah masih kurang.
Dalam karya ini, tantangan unik mikro-LED untuk aplikasi tampilan yang beroperasi pada kerapatan arus rendah disorot, dan solusi potensial untuk mengatasinya diusulkan. Menggunakan perangkat lunak Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37], kami menyelidiki secara numerik perilaku operasi dan mekanisme fisik LED mikro InGaN pada berbagai kerapatan arus dari 200 hingga 0,1 A/cm
2
. Diagram pita, fungsi gelombang, dan bidang polarisasi disimulasikan dan dianalisis untuk QCSE mikro-LED, dan QCSE yang lebih parah pada kerapatan arus rendah dikonfirmasi. Pengaruh nomor QW, p konsentrasi doping tipe-dan AlGaN EBL pada transport pembawa, pencocokan pembawa, rekombinasi radiasi dan efisiensi kuantum mikro-LED diselidiki secara sistemik. Efek dan mekanisme mengenai rekombinasi SRH dan Auger juga dibahas. Berdasarkan simulasi dan analisis, diusulkan struktur epitaxial yang dirancang khusus untuk mikro-LED yang beroperasi pada kerapatan arus rendah.
Struktur Perangkat dan Metode Simulasi
Dalam penelitian ini, struktur umum mikro-LED InGaN biru dengan ukuran chip persegi panjang 60 × 60 m dan panjang gelombang emisi puncak sekitar 465 nm digunakan untuk simulasi. Gambar 1 menunjukkan bahwa mikro-LED biru terdiri dari 200 nm n -Lapisan GaN, wilayah aktif MQW, 20 nm p -Al0,15 Ga0,85 N EBL dan 150 nm p -GaN lapisan. Wilayah aktif MQW terdiri dari 8, 5, 3, 2 atau 1 periode dengan ketebalan 2,5 nm In0,25 Ga0,75 N QW tertanam dalam 10-nm-tebal Dalam0,05 Ga0,95 N penghalang kuantum (QB). Komposisi In dari MQW disesuaikan dan dioptimalkan untuk mencapai panjang gelombang emisi biru yang diinginkan. Konsentrasi doping n -GaN, p -AlGaN EBL, dan p -GaN adalah 2 × 10
18
cm
−3
, 3 × 10
18
cm
−3
, dan 1 × 10
19
cm
−3
, masing-masing.
Ilustrasi skema dioda pemancar cahaya biru berbasis InGaN/GaN yang digunakan untuk simulasi dan analisis efisiensi untuk LED
Sifat optik dan listrik mikro-LED diselidiki secara numerik menggunakan perangkat lunak Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37]. Dalam simulasi, diasumsikan 50% dari kerapatan muatan antarmuka yang disebabkan oleh polarisasi spontan dan piezoelektrik [38]. Kecuali untuk yang disebutkan secara khusus, masa pakai SRH dan koefisien rekombinasi Auger ditetapkan sebagai 100 ns dan 1 × 10
–31
cm
6
s
−1
, masing-masing [39, 40]. Rasio band offset diasumsikan 0,7/0,3 [41], efisiensi ekstraksi cahaya ditetapkan pada 70%, dan suhu operasi adalah 300 K. Parameter material lain yang digunakan dalam simulasi dapat ditemukan di Ref [42].
Hasil dan Diskusi
Efisiensi Wall-plug (WPE) LED dapat dinyatakan sebagai berikut:
dimana Pkeluar menunjukkan daya keluaran optik, Iop adalah arus operasi, V adalah tegangan drive, ω adalah energi foton, dan ηpilih adalah efisiensi listrik. EQE ηEQE adalah produk dari efisiensi injeksi saat ini (CIE) ηCIE , IQE ηIQE dan efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) ηLEE , seperti yang dijelaskan oleh persamaan berikut:
dimana Rrad adalah tingkat rekombinasi radiasi, RSRH adalah tingkat rekombinasi non-radiatif SRH, dan RAuger adalah tingkat rekombinasi Auger. Gambar 1 menunjukkan berbagai jenis efisiensi serta mekanisme dan faktor fisik terkait.
Rrad dan CIE harus dimaksimalkan, efisiensi listrik dan LEE harus ditingkatkan, dan rekombinasi SRH dan Auger harus dikurangi untuk meningkatkan efisiensi keseluruhan operasi mikro-LED pada rapat arus rendah. Pendekatan tingkat sistem diperlukan untuk mengatasi semua tantangan ini. Kecuali untuk ekstraksi cahaya, tantangan ini akan dibahas di bagian berikut, dan solusi potensial untuk menciptakan struktur epitaxial yang efisien dari mikro-LED juga akan diusulkan.
QCSE pada Densitas Arus Rendah:Bidang Polarisasi Internal
QCSE yang diinduksi polarisasi adalah salah satu faktor dominan yang membatasi IQE nitrida LED [44]. QCSE telah dipelajari secara luas untuk LED daya tinggi ukuran besar tradisional, tetapi masih kurang diskusi yang memadai dalam konteks aplikasi spesifik mikro-LED. Oleh karena itu, efek penting ini diselidiki terlebih dahulu. Wilayah aktif mikro-LED yang dibahas di sini dibangun oleh 5 periode QW, yang merupakan nomor QW yang paling umum digunakan untuk LED nitrida tradisional.
Gambar 2a menunjukkan diagram pita energi dan fungsi gelombang elektron dan lubang tingkat pertama yang terkait dari QW kelima pada 200 dan 0,1 A/cm
2
. QB dan QW mengalami pembengkokan pita besar, yang mengarah pada pemisahan spasial dari fungsi gelombang elektron dan lubang. Selain itu, pembengkokan pita lebih kuat pada kerapatan arus rendah, menunjukkan QCSE yang lebih kuat. Fenomena ini dikaitkan dengan efek penyaringan yang lemah dengan pembawa nonequilibrium yang lebih sedikit pada kerapatan arus injeksi rendah (lihat File tambahan 1:Gambar. S1a-d, dan diskusi terkait) [41]. Gambar 2b menunjukkan bahwa QCSE yang lebih parah meningkatkan pemisahan spasial dari fungsi gelombang pembawa pada kerapatan arus rendah, yang mengarah pada tingkat rekombinasi radiasi yang lebih rendah. Laju rekombinasi radiasi dan spektrum EL tanpa dan dengan efek polarisasi, yaitu tanpa dan dengan QCSE, selanjutnya dihitung untuk menunjukkan bagaimana pemisahan lubang elektron secara kuantitatif mengurangi emisi pada rapat arus rendah. Gambar 2c, d menunjukkan bahwa intensitas integral dari tingkat rekombinasi radiasi dan intensitas EL berkurang masing-masing sekitar 84,0% dan 72,3% oleh QCSE. Hasil ini menunjukkan bahwa lebih sulit untuk meningkatkan efisiensi untuk mikro-LED daripada daya tinggi tradisional mereka karena QCSE yang ditingkatkan pada kerapatan arus rendah.
a Diagram pita energi dan fungsi gelombang elektron dan lubang tingkat pertama yang terkait dari QW kelima pada 200 dan 0,1 A/cm
2
, masing-masing. b Jarak pisah posisi puncak fungsi gelombang elektron dan hole pada 200 dan 0,1 A/cm
2
, masing-masing. c Tingkat rekombinasi radiasi dan d Spektrum EL dihitung pada 0,1 A/cm
2
tanpa dan dengan polarisasi, masing-masing. e Titik warna dibuat dari LED biru, hijau, dan merah dengan rapat arus dari 0,1 hingga 20 A/cm
2
diplot pada diagram kromatisitas 1931-CIE (x, y)
Selain itu, kontrol panjang gelombang emisi yang akurat dan stabil pada kepadatan arus injeksi yang berbeda sangat penting untuk tampilan LED mikro, karena menentukan berbagai parameter penting, seperti kecerahan, akurasi warna, dan saturasi. Namun, QCSE yang lebih parah pada kerapatan arus rendah membuat ini menjadi tantangan besar, terutama untuk mikro-LED hijau dan merah yang membutuhkan komposisi Indium lebih tinggi. Sebagai akibat langsung dari peningkatan pembengkokan pita pada InGaN QWs dengan komposisi Indium yang lebih tinggi dan QCSE yang lebih kuat, pergeseran panjang gelombang versus kerapatan arus menjadi lebih jelas karena efek penyaringan. Spektrum EL mikro-LED merah, hijau, dan biru berbasis InGaN dengan berbagai kepadatan arus dihitung lebih lanjut untuk menunjukkan bagaimana pergeseran spektrum memengaruhi titik warna di layar. File tambahan 1:Gambar S2 menunjukkan bahwa dari 0,1 hingga 20 A/cm
2
, puncak panjang gelombang biru bergeser masing-masing sekitar 15,8, 6,6, dan 1,7 nm untuk mikro-LED merah, hijau, dan biru. Titik warna yang dibuat dengan menggabungkan mikro-LED merah, hijau, dan biru juga dihitung, sebagaimana dirangkum dalam File tambahan 1:Tabel S1. Gambar 2e mengilustrasikan diagram kromatisitas 1931-CIE (x, y) yang sesuai. Jelas, warna emisi dari mikro-LED RGB sangat berubah dari hijau menjadi biru-hijau ketika kerapatan arus meningkat. Nilai x 1931-CIE memotong dari 0,1676 menjadi 0,2084, dan nilai y 1931-CIE memotong dari 0,3891 menjadi 0,3106. Perubahan substansial dari titik warna versus kerapatan arus ini sangat memperburuk kinerja layar mikro-LED.
Banyak laporan telah menyarankan beberapa pendekatan untuk menekan QCSE, seperti menggunakan penghalang superlattice ultra-tipis InGaN/AlGaN [45], InGaN/GaN/AlGaN/GaN MQWs dengan penghalang interlayer GaN [46], MQW berkerut [47], dan memasukkan lapisan strain-relief sebelum MQWs [48]. Tapi QCSE diinduksi oleh sifat intrinsik c -bahan nitrida pesawat. Beberapa penyesuaian MQW tidak cukup untuk menekan efek ini sepenuhnya. Baru-baru ini, efisiensi yang layak telah dicapai untuk LED nitrida non-polar. Jika biaya substrat GaN non-polar dapat dikurangi, LED non-polar dapat menjadi solusi ideal untuk menurunkan QCSE dan mewujudkan emisi penuh warna yang stabil [49].
Transportasi dan Pencocokan Operator
Elektron (Jn ) dan lubang (Jp ) rapat arus dapat dinyatakan sebagai berikut:
dimana σn dan σp menunjukkan konduktivitas, n dan p adalah konsentrasinya, μn dan μp adalah mobilitas elektron dan hole, dan E menunjukkan medan listrik. Dalam nitrida, konsentrasi lubang adalah urutan besarnya lebih rendah dari elektron [50], dan mobilitas lubang dua urutan besarnya lebih rendah dari elektron [51]. Asimetri konsentrasi dan mobilitas ini menyebabkan ketidakcocokan fluks pembawa (Jn> Jp ) dan menurunkan kinerja LED dengan dua cara berikut.
Efisiensi injeksi saat ini :Efisiensi injeksi saat ini ηCIE mewakili rasio arus rekombinasi Jrecomb dengan total arus Jjumlah , sebagai persamaan berikut [52]:
Jrecomb tergantung pada arus pembawa yang lebih kecil, yaitu arus lubang. Persamaan (6) menegaskan bahwa carrier mis-matching (Jn> Jp ) membatasi maksimalisasi CIE.
Tingkat rekombinasi radiasi :Tingkat rekombinasi radiasi Rrad dijelaskan oleh aturan emas Fermi sebagai persamaan berikut:
dimana C adalah konstanta, Ecv adalah energi transisi, h adalah konstanta Planck, νcv adalah frekuensi cahaya yang dihasilkan, ρr adalah pengurangan kepadatan negara bagian, fc dan fv adalah distribusi Fermi–Dirac, dan |MT|
2
adalah elemen matriks momentum [53]. Lebih sedikit lubang dan akumulasi elektron tambahan di QW dapat menyebabkan perluasan kisi kristal dan penumpukan regangan tarik. Di bawah variasi tegangan ini, kerapatan muatan tingkat kuantum di sekitar pita valensi maksimum berkurang. Ini semakin mengurangi probabilitas transisi optik dan mengurangi Rrad menurut Persamaan. (7). Dengan cara ini, mis-matching operator lokal dalam satu QW juga membatasi IQE. Diskusi yang lebih spesifik tentang topik ini dapat ditemukan di laporan sebelumnya [54,55,56].
Di bagian berikut, pengaruh nomor QW, p konsentrasi doping tipe -, dan struktur EBL pada transport carrier akan dianalisis untuk menentukan kondisi carrier matching terbaik. Terakhir, struktur epitaksi yang dioptimalkan untuk tampilan LED mikro yang efisien yang beroperasi pada kerapatan arus rendah akan diusulkan.
Ketidakcocokan Operator dalam 5QW
Pertama, sifat transportasi pembawa mikro-LED biru dengan 5QW disimulasikan. Distribusi konsentrasi pembawa pada 200 A/cm
2
dan 0,1 A/cm
2
diilustrasikan dalam file tambahan 1:Gambar. S3a dan b, masing-masing. Distribusi tidak homogen dalam 5 QW dapat diamati baik pada rapat arus tinggi maupun rendah. File tambahan 1:Gambar S3c dan d menunjukkan bahwa mobilitas elektron dalam MQWs (684 cm
2
V
−1
s
−1
) adalah dua kali lipat lebih tinggi dari mobilitas lubang (10 cm
2
V
−1
s
−1
). Oleh karena itu, elektron mungkin saja menyuntikkan ke dalam, kemudian melewati MQWs tanpa berpartisipasi dalam rekombinasi, yang menyebabkan masalah kebocoran elektron dan CIE rendah [51].
Gambar 3a menunjukkan distribusi rapat arus elektron dan hole pada 200 A/cm
2
. Kerapatan arus lubang total (217,4 A/cm
2
) hanya 65,2% dari elektron (333,3 A/cm
2
), menunjukkan ketidakcocokan pembawa yang parah dan CIE yang rendah. Arus elektron bocor setinggi 116,0 A/cm
2
, yang memperburuk efisiensi radiasi dan injeksi lubang. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3b, kebocoran arus elektron hanya 0,01 A/cm
2
, dan η . yang dihitung CIE setinggi 95% pada 0,1 A/cm
2
. Hasil ini menunjukkan bahwa mencapai CIE tinggi lebih mudah pada kerapatan arus rendah. Namun, kecuali QW ke-5 di mana Jp bisa sama dengan Jn , mis-matching pembawa dan akumulasi elektron tambahan cukup parah di empat QW lainnya (QW 1, 2, 3 dan 4) baik pada kerapatan arus tinggi dan rendah. Pada 200 A/cm
2
, rapat arus elektron dari keempat QW ini adalah 120, 43, 16 dan 5 kali lebih tinggi dari rapat arus lubang (Gbr. 3a). Pada 0,1 A/cm
2
, mereka 23, 9, 4, dan 2 kali lebih tinggi dari arus lubang (Gbr. 3b). Berdasarkan Persamaan. (7), ketidakcocokan pembawa yang hebat ini terbukti menurunkan tingkat rekombinasi radiasi dari keempat QW ini. Oleh karena itu, tingkat rekombinasi radiasi di keempat QW ini hanya sekitar 3,4%, 4,0%, 10,1%, dan 34,2% pada 200 A/cm
2
, dan 11,3%, 10,1%, 10,7%, dan 21,2% pada 0,1 A/cm
2
dibandingkan dengan QW ke-5. Operator mis-matching dan emisi radiasi rendah ini akhirnya mengurangi efisiensi monolitik mikro-LED.
Distribusi arus pembawa LED dengan 5QW a pada 200 A/cm
2
dan b pada 0,1 A/cm
2
. Tingkat rekombinasi radiasi LED dengan 5QW c pada 200 A/cm
2
dan d pada 0,1 A/cm
2
Faktor yang Mempengaruhi Transportasi dan Pencocokan Operator
Nomor QW :Untuk LED ukuran besar tradisional yang beroperasi pada kerapatan arus tinggi, MQW dengan 5, bahkan 8 atau 10 periode harus digunakan untuk mencapai daya keluaran optik yang tinggi. Namun, untuk tampilan emisi LED mikro, daya keluaran jauh lebih kecil dan kerapatan arus kerja jauh lebih rendah. Seperti yang dibahas di bagian sebelumnya, bahkan pada kerapatan arus rendah, mis-matching pembawa tetap cukup parah di 5QW, dan hanya satu QW yang dapat mencapai kondisi pencocokan terbaik. Dari perspektif ini, untuk mikro-LED yang beroperasi pada kerapatan arus rendah, wilayah aktif dengan nomor QW yang lebih sedikit harus menjadi desain yang lebih baik untuk meningkatkan efisiensi karena pencocokan pembawa yang ditingkatkan.
Pengaruh nomor QW pada mikro-LED diselidiki untuk memverifikasi asumsi kami. Gambar 4a–f menunjukkan rapat arus pembawa dan laju rekombinasi radiasi pada 0,1 A/cm
2
LED dengan 3QWs, 2QWs, dan 1QW, masing-masing. Kurva saat ini hanya memiliki satu titik persimpangan (satu titik pencocokan operator terbaik, Jn = Jp ) karena kecenderungan arus yang menurun secara monoton, tetapi dengan QW yang lebih sedikit, seperti pada kasus 3QW dan 2QW, dua titik persimpangan dapat dicapai dalam dua QW yang berbeda (Gbr. 4a, b). Dengan kata lain, mis-matching carrier di MQW dapat diatasi sebagian dengan QW yang lebih sedikit. Khusus untuk 2QW, dengan penyesuaian yang tepat, pencocokan sempurna dari fluks pembawa dapat dicapai di kedua QW. Tingkat rekombinasi radiasi juga lebih tinggi di 2QW daripada 3QW dan 5QW karena konsumsi pembawa oleh rekombinasi radiasi lebih terkonsentrasi di wilayah aktif dengan lebih sedikit QW (Gbr. 3d, 4d, e). Tidak diragukan lagi, pencocokan pembawa terbaik adalah pada LED dengan hanya satu QW, dan tingkat rekombinasi radiasi juga tertinggi untuk 1QW, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c, f.
Distribusi arus pembawa LED dengan a 3QW, b 2QW, dan c 1QW pada 0,1 A/cm
2
. Tingkat rekombinasi radiasi LED dengan d 3QW, e 2QW, dan f 1QW pada 0,1 A/cm
2
Gambar 5a, b menunjukkan IQE sebagai fungsi rapat arus antara 0 hingga 200 A/cm
2
dan 0 hingga 10 A/cm
2
, masing-masing. Untuk rapat arus lebih tinggi dari 50 A/cm
2
, IQE menurun ketika nomor QW dikurangi. Sebaliknya, IQE dengan kerapatan arus lebih rendah dari sekitar 30 A/cm
2
meningkat ketika jumlah QW berkurang. Pada 0,1 A/cm
2
, Nilai IQE untuk 8, 5, 3, 2, dan 1 QW masing-masing adalah 55%, 62%, 69%, 77%, dan 78%. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, posisi puncak IQE juga bergerak dari 6,0 A/cm
2
dalam 8 QW hingga kerapatan arus terendah sekitar 1,2 A/cm
2
dalam 2QW. Kurva IQE pada rapat arus rendah (< 1 A/cm
2
) juga menjadi lebih curam dan lebih tajam dengan angka QW yang lebih rendah, yang menunjukkan bahwa mencapai efisiensi tertinggi lebih mudah dan lebih cepat. Ini cukup bermanfaat untuk meningkatkan efisiensi pada kerapatan arus rendah. Mekanisme fisik di balik kecenderungan IQE ini dapat dijelaskan dengan pencocokan fluks pembawa yang lebih baik, dan emisi radiasi yang lebih terkonsentrasi dan lebih kuat di wilayah aktif dengan jumlah QW yang lebih sedikit. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c, dibandingkan dengan 8 QW, intensitas EL integral dari 5, 3, 2, dan 1 QW pada 0,1 A/cm
2
meningkat sekitar 6,1%, 14,8%, 28,4%, dan 32,1%, masing-masing. Hasil ini menegaskan bahwa tidak hanya efisiensi tetapi juga daya keluaran ditingkatkan dengan jumlah QW yang lebih sedikit.
a Kurva IQE dan b Kurva IQE pada rapat arus rendah LED dengan 8, 5, 3, 2, dan 1 QW. c Spektrum EL LED dengan 8, 5, 3, 2, dan 1 QW pada 0,1 A/cm
2
Hasil simulasi menunjukkan bahwa 1QW memiliki intensitas EL tertinggi dan mungkin struktur terbaik untuk mikro-LED yang beroperasi pada rapat arus rendah. Namun, secara eksperimental, sulit untuk menumbuhkan secara epitaksial hanya satu QW yang memiliki permukaan datar dan antarmuka yang tajam. Selain itu, untuk struktur 1QW, posisi puncak IQE sedikit meningkat menjadi 2,9 A/cm
2
, dan bentuk kurva IQE juga sedikit berubah. Ini dapat dijelaskan oleh keadaan khusus dari QW tunggal. Dibandingkan dengan QW lainnya, QW yang terhubung ke EBL memiliki lingkungan polarisasi khusus dan dianggap sebagai "QW bermasalah". Topik ini akan dibahas lebih detail di bagian AlGaN EBL . Mempertimbangkan alasan ini, 2QW harus menjadi desain wilayah aktif terbaik, yang memiliki kecocokan yang baik dari fluks pembawa, nilai IQE yang mendekati, dan intensitas EL hingga 1QW. Oleh karena itu, di bagian berikut, semua simulasi didasarkan pada LED mikro dengan 2QW.
Konsentrasi doping P-GaN :Performa LED 2QW dengan p . yang berbeda -jenis konsentrasi doping di p -GaN diselidiki lebih lanjut. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, ketika konsentrasi doping p -GaN meningkat dari 1 × 10
18
cm
−3
hingga 5 × 10
19
cm
−3
, laju rekombinasi radiasi pada 0,1 A/cm
2
selanjutnya meningkat sekitar 3,1% dan 3,0% untuk dua QW. Gambar 6b menunjukkan bahwa rapat arus lubang total meningkat dari 0,157 menjadi 0,162 A/cm
2
, sedangkan rapat arus elektron bocor berkurang dari 0,009 menjadi 0,005 A/cm
2
dengan meningkatnya konsentrasi doping. Perlu dicatat bahwa arus rekombinasi di QW dekat n -sisi lebih tinggi dari QW dekat p -sisi (Gbr. 6b). Oleh karena itu, tingkat rekombinasi radiasi di dekat n -sisi QW juga sedikit lebih tinggi daripada di dekat p -sisi QW. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 6c, seseorang dapat menemukan bahwa penghalang energi untuk pembawa di EBL, yang didefinisikan sebagai jarak energi antara tingkat kuasi-Fermi elektron/lubang dan pita konduksi tertinggi atau pita valensi terendah, hampir tidak berubah di bawah perbedaan konsentrasi doping p -GaN, yaitu injeksi lubang tidak ditingkatkan dengan meningkatkan konsentrasi doping. Gambar 6d menunjukkan konsentrasi lubang rata-rata di p -GaN dan QW. Konsentrasi lubang di p -GaN hampir secara eksponensial tergantung pada konsentrasi doping. Di dalam QW, konsentrasi lubang meningkat kira-kira dua kali lipat dari 1,59 × 10
19
cm
−3
hingga 3,08 × 10
19
cm
−3
dengan konsentrasi doping yang lebih tinggi. Hasil ini menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi lubang merupakan kontribusi utama untuk perbaikan rekombinasi radiasi. Oleh karena itu, bahkan pada rapat arus rendah, p -jenis masalah doping nitrida tetap penting, dan meningkatkan efisiensi doping dan konsentrasi lubang masih bermanfaat untuk efisiensi mikro-LED.
a Laju rekombinasi radiasi LED 2QWs dengan berbagai konsentrasi doping dalam p-GaN. b Distribusi arus pembawa dengan konsentrasi doping yang berbeda di p -GaN. c Diagram pita energi yang diperbesar dari EBL dengan konsentrasi doping yang berbeda di p -GaN. d Konsentrasi lubang rata-rata di p -GaN dan QW dengan berbagai konsentrasi doping p -GaN
AlGaN EBL :Dalam dekade terakhir, 10–20 nm p -jenis AlGaN EBL telah menjadi struktur standar untuk LED berbasis nitrida tradisional. EBL ini dianggap dapat memblokir kebocoran elektron dan menekan penurunan efisiensi di bawah kerapatan arus injeksi tinggi. Meskipun demikian, perlu dicatat bahwa EBL masih merupakan struktur LED yang sangat rumit dan halus. Ini melibatkan banyak faktor penting, termasuk komposisi Al, p -jenis efisiensi doping AlGaN, rasio band offset, dan efek polarisasi. Masing-masing dapat mempengaruhi struktur pita dan transportasi pembawa secara substansial, kemudian menentukan efektivitas EBL. Untuk konstruksi EBL, ketebalan, komposisi, dan konsentrasi doping harus dipertimbangkan dan dioptimalkan dengan hati-hati untuk menyeimbangkan peningkatan kurungan elektron dan pemblokiran injeksi lubang, jika tidak, hal sebaliknya dapat terjadi, dan kinerja LED dapat memburuk. Untuk mikro-LED, efektivitas EBL untuk beroperasi pada kerapatan arus rendah harus dipertimbangkan kembali, yang mungkin berbeda dengan kasus LED input/output tinggi tradisional.
a. Konsentrasi doping EBL :Pertama, pengaruh konsentrasi doping EBL pada transport pembawa pada rapat arus rendah diselidiki. Ketebalan dan komposisi Al dari EBL ditetapkan masing-masing sebagai 20 nm dan 0,15. Mengingat kelarutan dopan Mg yang rendah dalam AlGaN, degradasi kristal, dan efek kompensasi oleh over-doping [50], konsentrasi doping EBL pertama-tama ditetapkan sebagai 3 × 10
18
cm
−3
. Gambar 7a menunjukkan struktur pita energi yang sesuai. Jelas, meskipun ada EBL, kebocoran elektron keluar dari QW masih dapat disebabkan oleh kurungan elektron yang tidak mencukupi karena pembengkokan ke bawah dari QW dan EBL terakhir. Lembah energi baru di bawah tingkat kuasi-Fermi elektron muncul pada antarmuka QB dan EBL terakhir. Dengan demikian, elektron akan lepas dari QW dan terakumulasi di area ini. Distorsi struktur pita ini membuat EBL relatif tidak efektif, dan dapat berkontribusi pada efek polarisasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c, polarisasi yang kuat menginduksi sejumlah besar muatan pada antarmuka. Karena muatan polarisasi yang tidak seimbang positif pada antarmuka QB/EBL terakhir, medan elektrostatik besar mengarah dari p -sisi ke n -sisi terbentuk di QB terakhir, yang berlawanan dengan bidang di QB dan EBL lainnya. Medan elektrostatik ini menurunkan pita energi QB dan EBL terakhir. Terlebih lagi, medan listrik di QW terakhir dan QB terakhir keduanya dapat menarik elektron dan mengusirnya dari daerah aktif ke p -lapisan. Hal ini dapat diamati dalam diagram konsentrasi pembawa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7d. Garis hitam putus-putus menunjukkan bahwa sebagian elektron lepas dari daerah aktif dan terakumulasi pada antarmuka QB/EBL terakhir. Di EBL dan p -GaN, kebocoran elektron tetap relatif tinggi.
Diagram pita energi LED 2QW dengan a 3 × 10
18
cm
−3
dan b 6 × 10
19
cm
−3
konsentrasi doping di AlGaN EBL. c Kepadatan muatan ruang dan d distribusi konsentrasi pembawa LED 2QW dengan 3 × 10
18
dan 6 × 10
19
cm
−3
konsentrasi doping EBL. Sisipan c menunjukkan arah medan polarisasi
Di sisi lain, EBL juga memperkenalkan penghalang potensial setinggi 480 meV untuk injeksi lubang. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, c, lembah energi yang dekat dengan level kuasi-Fermi lubang muncul di wilayah antarmuka antara EBL/p -GaN karena efek polarisasi. Seperti yang ditunjukkan oleh garis hitam pekat pada Gambar 7d, sebagian besar lubang diblokir oleh EBL dan dengan demikian, terakumulasi di lembah energi EBL/p -Antarmuka GaN. Karena transportasi pembawa yang tidak efisien ini, QW terakhir dianggap sebagai "masalah QW," dan EBL hanya memiliki kemampuan rendah untuk kurungan elektron, dan harus bertanggung jawab atas injeksi lubang yang buruk. Dibandingkan dengan LED input/output tinggi tradisional, ketidakefektifan fungsi EBL yang diinduksi polarisasi ini bisa sangat parah untuk LED mikro karena efek polarisasi yang ditingkatkan dengan lebih sedikit penyaringan pembawa pada kerapatan arus rendah.
Rekayasa pita dengan meningkatkan konsentrasi doping EBL adalah metode yang mungkin untuk meningkatkan kurungan elektron dan injeksi lubang. Energi aktivasi dopan Mg di AlGaN EBL lebih tinggi dari GaN, oleh karena itu, bahkan di bawah konsentrasi doping yang sama, konsentrasi lubang aktif di EBL tetap jauh lebih rendah dari p -GaN. Konsentrasi lubang yang lebih rendah selanjutnya dapat memisahkan tingkat kuasi-Fermi lubang dan pita valensi, kemudian meningkatkan tinggi penghalang. Berdasarkan analisis ini, konsentrasi doping EBL harus jauh lebih tinggi daripada p -GaN. Mempertimbangkan batasan doping dalam eksperimen sebenarnya, 6 × 10
19
cm
−3
dipilih sebagai konsentrasi doping baru di EBL. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b, dengan meningkatkan konsentrasi doping, pita valensi EBL terangkat karena penyelarasan level kuasi-Fermi lubang, menghasilkan penghalang energi lubang yang berkurang sebesar 281 meV. Selain itu, p . yang tinggi -jenis doping juga membantu menurunkan tingkat kuasi-Fermi elektron sehubungan dengan pita konduksi di EBL, sehingga meningkatkan penghalang efek kebocoran elektron menjadi 1175 meV. Perubahan ini meningkatkan kurungan elektron dan injeksi lubang. Gambar 7d menunjukkan bahwa dibandingkan dengan konsentrasi doping 3 × 10
18
cm
−3
, konsentrasi lubang di daerah aktif sangat meningkat, dan elektron bocor di EBL dan p -GaN berkurang menjadi hampir nol. Namun, lembah energi di antarmuka antara EBL/p -GaN masih ada. Selain itu, kenaikan pita valensi juga memperkenalkan lembah energi baru untuk akumulasi lubang pada antarmuka antara QB/EBL terakhir, yang dapat dikonfirmasi oleh distribusi konsentrasi lubang pada Gambar 7d. Lembah energi ini dapat menghambat injeksi lubang ke QW, sehingga mengimbangi keuntungan dari konsentrasi doping yang tinggi.
b. Al komposisi EBL :Dibandingkan dengan peningkatan konsentrasi doping, pengurangan komposisi AlGaN EBL mungkin merupakan metode yang lebih mudah dan efisien untuk meningkatkan transport pembawa pada rapat arus rendah. Efektivitas EBL sangat tergantung pada komposisi Al, band offset, dan efek polarisasi. Meningkatkan komposisi Al dari EBL dapat meningkatkan band offset antara QB/EBL terakhir, yang meningkatkan ketinggian penghalang elektron. Namun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8a, muatan yang diinduksi polarisasi pada antarmuka juga meningkat, yang menurunkan ketinggian penghalang elektron. Dua mekanisme memiliki efek yang berlawanan untuk mengurung elektron.
a Distribusi kepadatan muatan ruang LED 2QW dengan EBL berbeda. Sisipan menunjukkan arah medan polarisasi. Diagram pita energi LED 2QW b dengan Al0.1 Ga0,9 N EBL dan c tanpa EBL. d Distribusi konsentrasi pembawa, e kerapatan arus pembawa, f IQE dan g Spektrum EL dari 2QWs LED dengan EBL yang berbeda. Sisipan g menunjukkan tegangan kerja pada 0,1 dan 1 A/cm
2
dengan EBL yang berbeda
Berdasarkan analisis ini, transport pembawa LED mikro 2QW dengan struktur EBL yang berbeda pada 200 dan 0,1 A/cm
2
diselidiki. Hasil dari ketinggian penghalang energi efektif dari EBL yang berbeda dirangkum dalam Tabel 1. Pertama-tama, baik penghalang energi elektron dan lubang pada rapat arus rendah jauh lebih tinggi daripada kasus pada rapat arus tinggi karena populasi pembawa nonequilibrium yang lebih rendah. Penghalang energi yang lebih tinggi dapat meningkatkan kurungan elektron, tetapi juga sangat menghambat injeksi lubang pada kerapatan arus rendah. Ini menunjukkan bahwa pengaruh EBL pada pengangkutan pembawa mikro-LED yang beroperasi pada kerapatan arus rendah jauh lebih tinggi daripada LED input/output tinggi tradisional. Tabel 1 juga menunjukkan bahwa dengan komposisi Al yang relatif rendah dalam EBL, penghalang elektron berkurang dengan meningkatnya komposisi Al, yang menunjukkan bahwa penurunan pita konduksi yang disebabkan oleh efek polarisasi lebih besar daripada peningkatan offset pita yang disebabkan oleh komposisi Al yang lebih tinggi. Dengan semakin meningkatkan komposisi, penghalang elektron meningkat seiring dengan komposisi, yang berarti bahwa band offset menjadi dominan atas efek polarisasi. Dibandingkan dengan rapat arus tinggi, titik balik komposisi ini lebih tinggi pada rapat arus rendah karena efek polarisasi yang ditingkatkan dengan penyaringan pembawa yang lebih sedikit. Di sisi lain, karena band offset asli antara QB/p last terakhir -GaN dan pembengkokan pita, ada hambatan energi untuk elektron dan lubang ada di antarmuka bahkan tanpa EBL. Pada 200 A/cm
2
, ketika komposisi lebih rendah dari 0,20, penghalang energi elektron lebih rendah daripada tanpa EBL, tetapi penghalang lubang lebih tinggi sekitar 64 meV. Pada 0,1 A/cm
2
, bahkan dengan komposisi yang lebih tinggi dari 0,20, penghalang elektron AlGaN EBL (523 meV) masih 151 meV lebih rendah daripada tanpa EBL (674 meV), tetapi penghalang lubang meningkat sekitar 76 meV dari 409 menjadi 485 meV. Hasil ini menunjukkan bahwa pengurungan elektron dan injeksi lubang dapat dikurangi oleh EBL dengan komposisi yang salah, terutama untuk mikro-LED yang beroperasi pada rapat arus rendah.
Untuk analisis mendalam, struktur pita mikro-LED dengan Al0,10 Ga0,90 N EBL dan tanpa EBL sebagai perwakilan diilustrasikan pada Gambar 8b, c. EBL memperkenalkan dua lembah energi pada antarmuka QB/EBL terakhir dan EBL/p -GaN untuk akumulasi elektron dan lubang, masing-masing, yang dapat dikonfirmasi oleh diagram konsentrasi pembawa pada Gambar. 8d. Oleh karena itu, kurungan elektron dan injeksi lubang buruk untuk struktur ini. Ketika EBL dihilangkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8c, penghalang energi untuk elektron meningkat, dan lembah energi untuk ekstraksi dan akumulasi elektron menghilang. Perubahan ini mencegah kebocoran elektron secara lebih efektif, seperti yang ditegaskan pada Gambar 8d. Sementara itu, tinggi penghalang untuk injeksi lubang berkurang, dan lembah energi pada antarmuka EBL/p-GaN juga dihilangkan. Jadi, lubang dapat diangkut langsung ke QW tanpa menghadapi hambatan besar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8c, d.
Penyelidikan hati-hati di atas menunjukkan bahwa tanpa EBL mungkin merupakan struktur yang lebih baik untuk operasi mikro-LED pada kerapatan arus rendah. Hasil simulasi mendukung saran kami. Gambar 8e mengilustrasikan rapat arus pembawa pada 0,1 A/cm
2
dengan struktur EBL yang berbeda. Ketika komposisi Al dari EBL dikurangi dari 0,15 menjadi 0,04, kerapatan arus total elektron dan hole meningkat dari 0,167 dan 0,159 A/cm
2
hingga 0,225 dan 0,225 A/cm
2
, masing-masing. Terlebih lagi, ketika EBL benar-benar dihilangkan, baik elektron total maupun kerapatan arus lubang total sangat meningkat menjadi 0,528 A/cm
2
, yang kira-kira 3 kali lebih tinggi dibandingkan dengan Al0,15 Ga0,85 N EBL. Peningkatan ini dikontribusikan pada pengurungan elektron dan injeksi lubang yang lebih baik.
Gambar 8f menunjukkan kurva IQE pada rapat arus rendah. Ketika komposisi Al dari EBL dikurangi dari 0,15 menjadi 0,04, nilai IQE jelas meningkat karena transportasi pembawa yang ditingkatkan. Namun dengan menghilangkan EBL, nilai IQE mengalami sedikit penurunan dibandingkan dengan Al0,04 Ga0,96 N EBL. Ini dapat dijelaskan dengan pencocokan pembawa di dua QW. Seperti yang ditunjukkan oleh panah hijau pada Gambar. 8e, a, pencocokan pembawa sempurna terjadi pada kedua QW dengan Al0,04 Ga0,96 N EBL. Dengan peningkatan rapat arus dengan menghilangkan EBL, kecocokan elektron dan fluks lubang sedikit terputus pada QW pertama, di mana rapat arus elektron sedikit lebih tinggi daripada lubang. Oleh karena itu, IQE sedikit berkurang karena operator ini tidak cocok dalam satu QW.
Keunggulan mikro-LED tanpa EBL masih luar biasa karena transportasi pembawa yang ditingkatkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8g, pada 0,1 A/cm
2
, intensitas EL integral LED mikro tanpa EBL adalah 3,53, 3,23, dan 2,38 kali lebih tinggi dibandingkan dengan LED dengan Al0,15 Ga0,85 N, Al0,10 Ga0,90 N dan Al0,04 Ga0,96 N EBL, masing-masing. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 8g, tegangan kerja di bawah 1 A/cm
2
dan 0,1 A/cm
2
berkurang sekitar 0,53 V dan 0,57 V dengan menghapus EBL, masing-masing. Ini meningkatkan efisiensi listrik, kemudian akhirnya meningkatkan WPE mikro-LED. Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut bahwa struktur bebas EBL adalah desain yang lebih baik untuk operasi mikro-LED pada kerapatan arus rendah, simulasi lain dilakukan menggunakan struktur mikro-LED biru yang dilaporkan dengan efisiensi maksimal yang diketahui. Hasil dan pembahasan dapat dilihat pada Bahan Pendukung (File tambahan 1:Gbr. S4a-d).
Struktur yang Dioptimalkan untuk Pengoperasian Micro-LED pada Densitas Arus Rendah
Berdasarkan simulasi dan analisis di atas, diusulkan struktur epitaksial yang dioptimalkan yang dirancang khusus untuk tampilan emisi LED mikro yang efisien yang beroperasi pada kerapatan arus rendah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Tiga prinsip harus diikuti. Pertama, berbeda dengan LED nitrida daya tinggi ukuran besar tradisional, jumlah QW mikro-LED harus dikurangi menjadi hanya dua, yang memiliki kondisi yang lebih baik untuk pencocokan pembawa, emisi radiasi yang lebih terkonsentrasi, dan IQE dan WPE. Kedua, p -jenis melakukan masih perlu ditingkatkan karena konsentrasi lubang yang relatif rendah dan mobilitas dibandingkan dengan elektron dalam nitrida, yang menuntut lebih efisien p -jenis strategi doping. Ketiga, untuk meningkatkan transport dan pencocokan pembawa, konsentrasi doping AlGaN EBL harus sangat ditingkatkan, atau AlGaN EBL dapat dihilangkan sepenuhnya. Tanpa menggunakan AlGaN EBL, kurungan elektron, injeksi lubang, pencocokan pembawa, IQE, dan WPE dari mikro-LED dapat sangat ditingkatkan pada kerapatan arus rendah.
Ilustrasi skema dari struktur epitaxial yang dioptimalkan yang dirancang khusus untuk tampilan memancarkan LED mikro yang beroperasi pada kerapatan arus rendah
Rekombinasi Auger dan Rekombinasi Non-radiatif SRH
Berdasarkan Persamaan. (3), kecuali untuk rekombinasi radiasi, rekombinasi SRH dan Auger juga memainkan peran penting dalam IQE LED. Oleh karena itu, penting untuk menyelidiki efek dan mekanisme mengenai rekombinasi SRH dan Auger untuk mikro-LED. Di bagian ini, struktur LED dengan 2QW masih digunakan, dan semua parameter simulasi sama seperti yang disebutkan dalam Metode kecuali untuk masa pakai SRH.
Auger yang Dapat Diabaikan dan Rekombinasi SRH yang Terkenal
Laju rekombinasi SRH dapat dinyatakan sebagai berikut [57]:
dimana ni adalah konsentrasi pembawa intrinsik, τp dan τn adalah masa hidup lubang dan elektron SRH, masing-masing, ET adalah perbedaan energi antara tingkat perangkap dan tingkat Fermi intrinsik, cp dan cn adalah koefisien penangkapan untuk elektron dan lubang, Nt adalah kepadatan perangkap, σp dan σn adalah menangkap penampang elektron dan lubang, dan νp dan νn masing-masing adalah kecepatan termal rata-rata elektron dan hole. Menurut Persamaan. (8)-(10), rekombinasi SRH dari perangkap sepenuhnya ditentukan oleh kepadatannya, penampang tangkapan, dan tingkat energinya.
Tingkat rekombinasi Auger diberikan sebagai berikut:
dimana Cn dan Cp adalah koefisien rekombinasi Auger.
Mengingat bahwa lubang yang disuntikkan dan konsentrasi elektron jauh lebih tinggi daripada konsentrasi pembawa intrinsik di QW yang tidak didoping (menurut hasil simulasi, konsentrasi pembawa tertinggi di QW hanya sekitar 10
7
cm
−3
dengan tidak adanya arus injeksi eksternal), laju rekombinasi SRH dan Auger dapat disederhanakan lebih lanjut sebagai persamaan berikut:
$$R_{{{\text{SRH}}}} =\frac{np}{{\tau_{p} n + \tau_{n} p}},$$ (12) $$R_{{{\ teks{Auger}}}} =\left( {C_{n} n + C_{p} p} \kanan)np.$$ (13)
Persamaan (12) dan (13) dengan jelas menunjukkan bahwa RSRH sebanding dengan pangkat pertama dari konsentrasi pembawa, tapi RAuger tergantung pada kekuatan ketiga dari konsentrasi pembawa, yaitu, RSRH sensitif terhadap rapat arus rendah, sedangkan RAuger lebih dominan pada kerapatan arus tinggi.
Analisis teoritis ini sesuai dengan hasil simulasi kami. Gambar 10a, b menunjukkan tingkat rekombinasi radiasi, SRH, dan Auger yang dihitung pada 200 dan 0,1 A/cm
2
, masing-masing. Pada rapat arus tinggi, laju rekombinasi Auger (sekitar 0,8–1,4 × 10
29
cm
−3
s
−1
) sebanding dengan laju radiasi (sekitar 4,2–6,0 × 10
29
cm
−3
s
−1
). Faktanya, masalah substansial dari penurunan efisiensi pada arus penggerak tinggi sekarang diakui secara luas disebabkan oleh rekombinasi Auger [20]. Sementara, pada kerapatan arus rendah, secara relatif, tingkat rekombinasi Auger secara dramatis menurun hingga dua kali lipat lebih rendah (sekitar 6,3–7,2 × 10
22
cm
−3
s
−1
) daripada rekombinasi radiasi (sekitar 3,7–4,0 × 10
24
cm
−3
s
−1
). Oleh karena itu, rekombinasi Auger harus diabaikan pada rapat arus rendah. Sebaliknya, dengan penurunan rapat arus, laju rekombinasi SRH relatif meningkat dari nilai yang kecil pada 200 A/cm
2
(dua kali lipat lebih rendah dari rekombinasi radiasi) ke tingkat yang sebanding dengan emisi radiasi pada 0,1 A/cm
2
. Akibatnya, mikro-LED yang beroperasi pada kerapatan arus rendah memerlukan peningkatan SRH atau rekombinasi cacat alih-alih rekombinasi Auger.
Laju rekombinasi radiasi, SRH, dan Auger dari LED 2QW a pada 200 A/cm
2
dan b pada 0,1 A/cm
2
. c Rasio SRH/Radiatif dengan berbagai masa pakai SRH pada 200 dan 0,1 A/cm
2
. d Nilai IQE pada 200 dan 0,1 A/cm
2
, e Kurva IQE dengan rapat arus besar dan f Kurva IQE dengan kerapatan arus rendah pada berbagai masa pakai SRH
Persyaratan Kepadatan Cacat Rendah
Menurut Persamaan. (9), masa pakai SRH, τp dan τn , berbanding terbalik dengan kepadatan cacat Nt . Oleh karena itu, efek densitas cacat dapat diperkirakan hanya dengan mengubah masa pakai SRH dalam simulasi. Gambar 10c menunjukkan rasio yang dihitung dari tingkat rekombinasi SRH/radiatif pada berbagai masa pakai SRH. Dengan penurunan masa pakai SRH dari 150 menjadi 50 ns, yaitu, peningkatan densitas cacat, rasio SRH/radiasi sedikit meningkat dari 0,01 menjadi 0,03 pada 200 A/cm
2
, tetapi sangat meningkat dari 0,15 menjadi 0,43 pada 0,1 A/cm
2
. Ini berarti bahwa persentase pembawa yang jauh lebih besar dikonsumsi oleh cacat perangkap pada kerapatan arus rendah. Oleh karena itu efisiensi jauh lebih sensitif terhadap kerapatan cacat pada arus rendah daripada kerapatan arus tinggi. Hasil IQE seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 10d, e mengkonfirmasi tren ini. Dengan penurunan masa pakai SRH dari 150 menjadi 50 ns, IQE hanya berkurang sekitar 0,01 pada 200 A/cm
2
, tetapi menurun drastis sekitar 0,17 pada 0,1 A/cm
2
. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10f, dengan penurunan masa pakai SRH, posisi puncak IQE juga bergerak dari 3,1 A/cm
2
ke kerapatan arus yang lebih tinggi sebesar 9,0 A/cm
2
, dan kurva IQE menjadi kurang curam dan tajam, yang berarti bahwa arus ambang/awal meningkat. Ini tidak menguntungkan untuk meningkatkan efisiensi LED mikro pada rapat arus rendah.
Dibandingkan dengan LED daya tinggi ukuran besar tradisional yang bekerja pada kerapatan arus tinggi, LED mikro yang beroperasi pada kerapatan arus rendah jauh lebih sensitif terhadap kerapatan cacat, dan meminimalkan rekombinasi cacat sangat penting untuk mencapai efisiensi tinggi. Oleh karena itu, LED mikro memerlukan kualitas bahan kristal yang jauh lebih tinggi daripada LED tradisional, dan menimbulkan tantangan besar bagi pertumbuhan epitaksial bahan dan fabrikasi perangkat untuk komunitas.
Kesimpulan
Singkatnya, perilaku operasi, mekanisme, dan kondisi mikro-LED InGaN yang beroperasi pada kerapatan arus rendah diselidiki secara numerik, dan struktur epitaksi yang dioptimalkan yang dirancang khusus untuk tampilan mikro-LED diusulkan. Analisis efek polarisasi menunjukkan bahwa mikro-LED mengalami QCSE yang lebih parah pada rapat arus rendah. Oleh karena itu, meningkatkan efisiensi dan mengontrol titik warna emisi lebih sulit. Transportasi pembawa dan pencocokan dianalisis untuk menentukan kondisi pengoperasian mikro-LED. Terlihat bahwa jumlah QW yang lebih sedikit dapat meningkatkan pencocokan carreir dan mengarah pada efisiensi dan daya keluaran yang lebih tinggi pada kerapatan arus yang rendah. Efektivitas EBL untuk mikro-LED dianalisis, dan pengurungan elektron dan injeksi lubang ditemukan ditingkatkan secara bersamaan pada kerapatan arus rendah dengan menghilangkan EBL. Selain itu, simulasi telah menunjukkan bahwa rekombinasi Auger dapat diabaikan, tetapi rekombinasi SRH sangat mempengaruhi efisiensi mikro-LED pada kerapatan arus rendah, yang telah meningkatkan persyaratan yang lebih tinggi untuk kualitas kristal bahan dan proses fabrikasi perangkat. Studi numerik kami dapat memberikan panduan berharga untuk membuat tampilan mikro-LED yang efisien dan mempromosikan penelitian masa depan di bidang ini.
Ketersediaan data dan materi
Data dan analisis dalam karya saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
