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长春光机所在红光Micro LED研究领域取得新进展

中科院长春光机所应用光学国家重点实验室梁静秋研究团队使用晶圆键合和衬底转移技术,通过制备五种像素尺寸(最小尺寸为10μm)的硅衬底AlGaInP红光Micro LED来研究其尺寸效应。

Micro LED以其优越的性能被应用于微型显示器、可见光通信、光学生物芯片、可穿戴设备和生物传感器等诸多领域。目前,Micro LED显示的技术挑战是如何获得高分辨率和高像素密度。由于像素尺寸缩小,芯片的周长面积比增大,导致侧壁的表面复合增多,非辐射复合速率变大,从而导致光电效率下降。器件制备过程中的ICP刻蚀,加重了侧壁缺陷。

另外,对于磷化Micro LED,在较高的驱动电流下,热刺激LED的多量子阱有源区和电子阻挡层中的注入电子泄漏到LED结构的P侧,导致效率下降,即efficiency droop现象。因此,LED的散热性能对于磷化LED格外重要。

针对以上问题,中科院长春光机所应用光学国家重点实验室梁静秋研究团队使用晶圆键合和衬底转移技术,通过制备五种像素尺寸(最小尺寸为10μm)的硅衬底AlGaInP红光Micro LED来研究其尺寸效应。通过采用低损伤刻蚀技术减小LED芯片侧壁缺陷;通过采用散热性能更好的硅衬底代替GaAs衬底,即改善了LED芯片的散热性,又避免GaAs衬底对红光的吸收。

实验结果表明,随着尺寸的减小,Micro LED芯片的外量子效率有所下降,但可承受的最大电流密度增加,高注入电流下散热性改善,且中心波长随注入电流的偏移减小。

以上研究工作以“Size effects of AlGaInP red vertical Micro LEDs on silicon substrate”为题发表在《Results in Physics》期刊上(DOI: 10.1016/j.rinp.2022.105449)。该工作得到了国家重点研发计划、吉林省科技发展计划及应用光学国家重点实验室自主基金等项目的支持。

图1 硅衬底上垂直结构红光Micro LED的制备工艺流程

图2 (a)不同芯片尺寸下的电流-电压特性;(b)不同芯片尺寸的电流密度-电压特性;
(c)电压和电流密度与芯片尺寸的关系;(d)不同芯片尺寸下理想系数对电流密度的影响

图3 (a)不同尺寸Micro LED的电致发光图像;(b)不同芯片尺寸的光输出功率特性

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