關於InGaN的μLED、藍光鈣鈦礦LED性能的兩項研究進展

01

國內四位教授新研究成果有望破除高性能μLED發展瓶頸

近日，臺灣交通大學郭浩中教授與南方科技大學劉召軍教授和河北工業大學畢文剛及張紫輝教授合作，使用Crosslight計算平臺的數值模擬結合實驗製備研究，分析不同的量子位障層對於InGaNμLED外部量子效率的改進，所提出的方法有望消除高性能μLED發展的瓶頸。

並且，在該項工作中所提出的組件物理將增進對於InGaN的μLED的理解，研究成果被刊登在國際知名期刊《Nanoscale Research Letters》上[1]。

III族氮化物的發光二極體(LED)由於具有高亮度、低功耗和使用壽命長的獨特性，迄今為止，已引起了廣泛的研究興趣，大尺寸InGaN/GaN藍光LED已經取得了巨大進步並實現了商品化，並已在固態照明和大尺寸面板顯示器中得到應用。但常規的InGaN/GaN LED的調變帶寬很小，因此不適用於可見光通信(VLC)。同時，較大的晶片尺寸使得智能型手機的顯示器和可穿戴手錶顯示器的像素容量低。因此，在當前階段，晶片尺寸小於100μm的InGaN/GaN微型LED(Micro LED，μLED)引起了廣泛的關注。

儘管具有上述優點，但μLED的進一步開發仍需要解決許多問題，例如高精度的巨量轉移和與晶片尺寸相關的效率之提升。晶片尺寸相關效率的下降是由製造臺面(mesa)時的幹蝕刻所引起的表面損傷，會產生大量缺陷，從而引起表面非輻射複合。對於不同類型的光電組件，組件的晶體質量和電荷傳輸是影響光電性能的基本參數。對於μLED，缺陷區域的表面複合會降低μLED的內部量子效率(IQE)。在我們先前的研究中[2]，進一步發現，隨著晶片尺寸的縮小，電洞會更容易被缺陷捕獲，並且隨著晶片尺寸的減小，μLED的電洞注入能力可能會變得更差。因此，減小側壁缺陷密度對效率而言非常重要。比較簡易的方法是使用電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)或原子層沉積(ALD)沉積電介質鈍化層，來減少側壁的缺陷。

當晶片尺寸變小時，由於橫向電阻降低，電流擴展的效果會變得更好。因此，我們提出另一種途徑來降低另一方向(縱向)的電阻，以更好地將電流限制在臺面內，並使載子遠離側壁缺陷，抑制表面非輻射複合。為了實現該目標，我們減小量子位障層(quantum barriers)的厚度來控制能障(energy barriers)和縱向電阻。通過數值模擬計算，電流可以更好的限制在臺面內，因此降低表面非輻射複合會減少電洞的消耗。此外，變薄的量子位障層使多重量子井(MQWs)上的電洞分布均勻化。結果表明，量子位障層厚度的減少，使μLED的外部量子效率(EQE)得到改善。

Fig. 1 Calculated EQE and Optical power density in terms of the injection current density for μLEDsI, II and III, respectively.Inset figure of(a) shows the experimentally measured EQE for μLEDsI and III, respectively. Insetfigures of (b) and(c) present the measured and numerically calculated EL spectra frμLEDsI, and III. Data for inset figures (b) and (c) are collected at the injection current density level of 40 A∕cm².

Reference

[1] Le Chang, Yen-Wei Yeh, Sheng Hang, Kangkai Tian, Jianquan Kou, Wengang Bi, Yonghui Zhang,Zi-Hui Zhang , Zhaojun Liu and Hao-Chung Kuo (2020) Alternative Strategy to Reduce Surface Recombination for InGaN/GaN Micro-light- Emitting Diodes-Thinning the Quantum Barriers to Manage the Current Spreading. Nanoscale Research Letters.

[2]J. Kou, C.-C. Shen, H. Shao, J. Che, X. Hou, C. Chu, K. Tian Y. Zhang, Z.-H. Zhang and H. -C Kuo (2019) Impact of the surface recombination on InGaN/ GaN-based blue micro-light emitting diodes. Opt Express 27(12):0-0.

（來源：半導體照明網）

02

國內兩高校教授提出雙配體策略助藍光鈣鈦礦LED性能提升

金屬滷化物鈣鈦礦材料是光電領域的新一代明星材料。由於鈣鈦礦具有易於溶液製備、組分帶隙易調、螢光量子效率高、半峰寬窄和電子-空穴傳輸能力相當等優點而被用於發光二極體作為發光層材料。經過短短幾年的快速發展，紅光和綠光鈣鈦礦LED的性能迅速提升，外量子效率都已超過20%。然而，藍色鈣鈦礦LED是研究的短板，存在光譜不穩定、效率低、穩定性差等問題。在三維鈣鈦礦的基礎上引入有機配體，形成具有層裝結構的準二維鈣鈦礦，利用其量子限域效應是實現藍光發射的一個有效方法。然而，準二維鈣鈦礦的晶粒小，晶界的比例更大，因此晶界處的缺陷對薄膜的螢光強度具有重要影響。如果表面配體與鈣鈦礦結合不牢固，會導致輻射複合的比例下降,薄膜螢光量子產率降低。此外，採用Cl摻雜的準二維鈣鈦礦在電場作用下，容易發生Cl、Br相分離，導致器件的EL光譜發生偏移，嚴重影響器件的穩定性。因此要提升藍光鈣鈦礦LED的性能，就必須克服上述問題。

最近，北京化工大學譚佔鰲教授聯合華北電力大學王福芝副教授，提出了一種通過雙配體來改善準二維鈣鈦礦表面配體穩定性，提升薄膜螢光量子產率，進而製備高效藍光鈣鈦礦LED的策略。相關論文在線發表在Small (DOI:10.1002/smll.202002940)上。

苯乙胺基團(PEA)具有較高的三線態能級，激子不易被其捕獲發生淬滅，因此在準二維藍光鈣鈦礦中被廣泛採用。但是作者通過分子動力學計算發現，PEA與CsPbBr2.1Cl0.9鈣鈦礦之間的結合能較低(-3.89eV)，引入適量異丁胺基團(iBA)後能夠有效地改善表面配體結合能(-4.44eV)，增強了鈣鈦礦薄膜的光學性能。如圖1所示，通過調整PEA與iBA的比例，可以改善薄膜內二維相的比例分布,使得薄膜的螢光量子產率由21%提升至45%。

圖 1.(a)基於PEA和iBA雙配體的準二維鈣鈦礦結構及能帶變化示意圖，基於不同配體(PEA:iBA)比例的準二維鈣鈦礦的(b)紫外-可見吸收光譜、(c)螢光光譜及(d)光學照片。

通過調控PEA與iBA的比例，可以改善薄膜內二維相的比例分布，合理的相分布可有效提升電子和空穴的注入和傳輸性能。AFM和PL mapping測試表明，雙二維陽離子的引入使鈣鈦礦薄膜的形貌更加平整，發光峰分布更加均勻(集中在475nm)，局部發光強度大幅提升。

（來源：MaterialsViews）

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