Conceptions de la structure de micro-LED InGaN pour améliorer l'efficacité quantique à faible densité de courant

Introduction

Les diodes électroluminescentes (DEL) visibles à base de nitrure du groupe III ont un large éventail d'applications, notamment les signaux, la communication optique, le stockage d'informations, les rétroéclairages, les écrans et l'éclairage général (ou éclairage à semi-conducteurs) [1, 2]. Depuis la première démonstration de la LED à micro-disque InGaN d'un diamètre de 12 m par Jiang et ses collègues en 2000 [3, 4], la micro-LED a suscité un intérêt académique et industriel croissant dans les domaines des écrans haute résolution. , communication par la lumière visible, biomédecine et détection [5,6,7,8]. Par rapport à l'affichage à cristaux liquides (LCD) et à la diode électroluminescente organique (OLED), la micro-LED présente des avantages de petite taille, de haute résolution, d'efficacité lumineuse élevée, de luminosité élevée, de saturation des couleurs élevée, de longue durée de vie, de vitesse de réponse élevée, et la robustesse, qui en font le candidat le plus prometteur pour la technologie d'affichage de prochaine génération [9, 10]. Les scénarios d'application de l'affichage micro-LED incluent les téléviseurs haut de gamme (TV), les ordinateurs portables, les terminaux portables et mobiles, la réalité virtuelle (VR), la réalité augmentée (AR), l'affichage transparent, etc. Selon l'estimation de Yole, le marché des écrans micro-LED atteindra 330 millions d'unités d'ici 2025 [11].

Les applications traditionnelles des LED au nitrure de groupe III, en particulier l'éclairage à semi-conducteurs, nécessitent que la puissance de sortie optique soit aussi élevée que possible [12]. Au cours des trois dernières décennies, motivée par des applications à haute puissance, la recherche moderne pour les LED au nitrure, y compris la conception et l'optimisation de la structure épitaxiale, l'étude du comportement de fonctionnement et du mécanisme physique du dispositif, et l'amélioration de la technologie de fabrication, se concentre principalement sur la grande puce, la densité de courant de travail élevée et la puissance d'entrée/sortie élevée [12, 13]. Tout d'abord, la région active de la LED nitrure a évolué de l'hétérostructure la plus simple et du puits quantique unique (QW) au stade précoce aux multiples puits quantiques (MQW) d'aujourd'hui avec 5 périodes QW, et le nombre QW peut même atteindre 8 ou 10 pendant plusieurs appareils de haute puissance commercialisés [14,15,16,17]. L'EBL a été proposé pour bloquer la fuite d'électrons à haute densité de courant d'injection, même s'il peut également empêcher l'injection de trous à un certain niveau [18, 19]. Pour les LED haute puissance conventionnelles, le problème le plus important est la réduction de l'efficacité quantique externe (EQE) avec l'augmentation de la densité de courant, connue sous le nom de statisme d'efficacité. Le mécanisme intrinsèque de ce comportement est lié à la recombinaison Auger indirecte à haute densité de porteurs injectés [20]. En ce qui concerne la fabrication, une puce à couche mince et une géométrie d'injection verticale sont développées pour augmenter le niveau de puissance des LED au nitrure [21, 22].

Des progrès considérables ont été réalisés pour les LED nitrure haute puissance traditionnelles de grande taille, et certaines des leçons apprises peuvent être mises à profit pour l'étude des micro-LED. Cependant, les micro-LED sont encore très différentes de leurs homologues haute puissance. Les différents comportements, mécanismes et conditions de fonctionnement des micro-LED peuvent entraîner différents défis et voies de recherche [23, 24]. Pour les LED traditionnelles, le pic EQE est situé à une densité de courant élevée, et la densité de courant de travail est élevée et au-delà de l'efficacité de pointe (> 30 A cm ⁻² ). Mais pour l'affichage émissif micro-LED, la densité de courant de travail doit être beaucoup plus faible et souvent comprise entre 0,02 et 2 A cm ⁻² [24]. À cette faible densité de courant, l'EQE des LED au nitrure traditionnelles est très faible et insuffisante pour les applications d'affichage à micro-LED pratiques. En utilisant les avantages de la fosse en V pour filtrer les dislocations et améliorer l'injection de trous, Zhang et ses collègues ont créé des LED efficaces basées sur InGaN avec une efficacité maximale jusqu'à 24,0% à 0,8 A/cm ² . Cependant, les puces LED rapportées par Zhang et al. est encore limitée à des dimensions traditionnelles (1 mm × 1 mm), ce qui est beaucoup plus grand que celui des micro-LED [25]. De plus, de nombreux travaux ont rapporté que l'efficacité quantique interne (IQE) et l'EQE des micro-LED diminuent à mesure que la taille de la puce est réduite [26,27,28]. Cette dégradation dépendante de la taille est principalement attribuée à la recombinaison de surface et aux dommages aux parois latérales induits par la gravure sèche assistée par plasma. Ces effets de paroi latérale contribuent à la recombinaison non radiative Shockley-Read-Hall (SRH), puis diminuent l'efficacité quantique et deviennent beaucoup plus graves avec une taille de puce plus petite en raison de la plus grande surface spécifique/zone de paroi latérale par rapport à la région active du dispositif [29,30,31]. Pour résoudre ce problème, la passivation des parois latérales à l'aide de matériaux diélectriques et la gravure humide à l'aide d'acide fluorhydrique tamponné ou d'une méthode photoélectrochimique ont été proposées pour minimiser ces effets à un certain niveau pour la micro-LED [31,32,33]. Cependant, même amélioré par la passivation des parois latérales, le pic EQE des micro-LED (avec une taille inférieure à 60 m) est toujours inférieur à 25 %, et considérablement diminué à plusieurs pour cent à une densité de courant inférieure à 2 A cm ^-2 [34, 35]. En particulier pour la micro-LED rouge à base d'InGaN, l'EQE actuellement signalé est assez limité à moins de 1%, en raison de la forte polarisation et de la mauvaise qualité du cristal [0,2%) pour les mini-écrans. Appl Phys Express 14:011004" href="/articles/10.1186/s11671-021-03557-4#ref-CR36" id="ref-link-section-d295113462e757">36]. De plus, avec la taille de la puce réduite, la position du pic EQE se déplace également vers une densité de courant plus élevée, ce qui entravera davantage le rendement élevé à faible densité de courant [26].

Par conséquent, l'amélioration de l'efficacité quantique à faible densité de courant devient le grand défi et le problème scientifique critique pour l'application d'affichage émissif micro-LED. À cette fin, l'efficacité maximale doit être augmentée et la position de début d'efficacité doit être déplacée vers une densité de courant inférieure appropriée. Auparavant, les travaux se sont principalement concentrés sur l'amélioration de la technologie de fabrication telle que la passivation des flancs. Pour améliorer l'efficacité, il est également essentiel d'étudier les comportements de fonctionnement et les mécanismes physiques des micro-LED à faible densité de courant, encore relativement inexplorés et mal compris. De plus, pour créer un dispositif pouvant améliorer l'efficacité à faible densité de courant avec une valeur maximale, la structure épitaxiale des micro-LED doit également être repensée et optimisée, ce qui devrait être assez différent de leur grande taille traditionnelle. contreparties entrée/sortie. Pour l'instant, la structure épitaxiale spécialement conçue pour l'affichage émissif micro-LED fonctionnant à faible densité de courant fait toujours défaut.

Dans ce travail, les défis uniques des micro-LED pour l'application d'affichage fonctionnant à faible densité de courant sont mis en évidence et des solutions potentielles pour les résoudre sont proposées. À l'aide du logiciel Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37], nous étudions numériquement les comportements de fonctionnement et les mécanismes physiques des micro-LED InGaN à diverses densités de courant de 200 à 0,1 A/cm ² . Le diagramme de bande, la fonction d'onde et le champ de polarisation sont simulés et analysés pour le QCSE de micro-LED, et un QCSE plus sévère à faible densité de courant est confirmé. Influences du nombre QW, p La concentration de dopage de type et AlGaN EBL sur le transport de porteurs, l'appariement de porteurs, la recombinaison radiative et l'efficacité quantique des micro-LED sont étudiées de manière systémique. L'effet et le mécanisme concernant la recombinaison SRH et Auger sont également discutés. Sur la base de la simulation et de l'analyse, une structure épitaxiale optimisée spécialement conçue pour les micro-LED fonctionnant à faible densité de courant est proposée.

Structures de dispositifs et méthodes de simulation

Dans cette étude, la structure commune de la micro-LED InGaN bleue avec une taille de puce rectangulaire de 60 × 60 m et une longueur d'onde d'émission maximale d'environ 465 nm est utilisée pour la simulation. La figure 1 montre que la micro-LED bleue est composée de 200 nm n -Couche GaN, région active MQWs, 20 nm p -Al_0.15 Ga_0,85 N EBL et 150 nm p -Couche GaN. La région active des MQW se compose de 8, 5, 3, 2 ou 1 périodes avec une épaisseur de 2,5 nm d'In_0,25 Ga_0,75 N QW intégré dans 10 nm d'épaisseur In_0,05 Ga_0.95 N barrière quantique (QB). La composition In des MQW est ajustée et optimisée pour obtenir la longueur d'onde d'émission bleue souhaitée. La concentration de dopage de n -GaN, p -AlGaN EBL, et p -GaN sont 2 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , et 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , respectivement.

Illustration schématique de la diode électroluminescente bleue à base d'InGaN/GaN utilisée pour la simulation et l'analyse de l'efficacité des LED

Les propriétés optiques et électriques des micro-LED sont étudiées numériquement à l'aide du logiciel Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37]. Dans la simulation, 50 % des densités de charge d'interface causées par la polarisation spontanée et piézoélectrique sont supposées [38]. À l'exception des cas spécifiquement mentionnés, la durée de vie SRH et le coefficient de recombinaison Auger sont définis sur 100 ns et 1 × 10 ^–31 cm ⁶ s ⁻¹ , respectivement [39, 40]. Le rapport de décalage de bande est supposé 0,7/0,3 [41], l'efficacité d'extraction de la lumière est fixée à 70 % et la température de fonctionnement est de 300 K. D'autres paramètres de matériau utilisés dans la simulation peuvent être trouvés dans la référence [42].

Résultats et discussions

L'efficacité de la prise murale (WPE) de la LED peut être exprimée comme suit :

où P _sortie désigne la puissance de sortie optique, I _opération est le courant de fonctionnement, V est la tension d'entraînement, ℏω est l'énergie du photon, et η _élire est le rendement électrique. EQE η _EEQ est un produit de l'efficacité d'injection actuelle (CIE) η _CIE , IQE η _IQE et efficacité d'extraction de la lumière (LEE) η _LEE , tel que décrit par l'équation suivante :

De plus, selon le modèle ABC [43], η _IQE peut être exprimé comme suit :

où R _rad est le taux de recombinaison radiative, R _SSR est le taux de recombinaison non radiative SRH, et R _Tarière est le taux de recombinaison Auger. La figure 1 montre les différents types d'efficacité et les mécanismes et facteurs physiques associés.

R _rad et CIE doivent être maximisés, l'efficacité électrique et LEE doivent être améliorées, et la recombinaison SRH et Auger doit être réduite pour améliorer l'efficacité globale des micro-LED fonctionnant à faible densité de courant. Des approches systémiques sont nécessaires pour relever tous ces défis. À l'exception de l'extraction de lumière, ces défis seront discutés dans les sections suivantes, et des solutions potentielles pour créer une structure épitaxiale efficace de micro-LED seront également proposées.

QCSE à faible densité de courant :champ de polarisation interne

Le QCSE induit par la polarisation est l'un des facteurs dominants qui limitent l'IQE de la LED au nitrure [44]. QCSE a été largement étudié pour la LED haute puissance traditionnelle de grande taille, mais manque encore de discussion suffisante dans le contexte des applications spécifiques aux micro-LED. Par conséquent, cet effet important est d'abord étudié. La région active de la micro-LED discutée ici est construite par 5 périodes QW, qui est le nombre QW le plus couramment utilisé pour les LED traditionnelles au nitrure.

La figure 2a montre les diagrammes de bandes d'énergie et les fonctions d'onde des électrons et des trous de premier niveau associées du cinquième QW à 200 et 0,1 A/cm ² . QB et QW subissent une flexion de large bande, conduisant à la séparation spatiale des fonctions d'onde des électrons et des trous. De plus, la flexion de bande est plus forte à faible densité de courant, indiquant un QCSE plus fort. Ce phénomène est attribué au faible effet d'écran avec moins de porteurs hors d'équilibre à faible densité de courant d'injection (voir Fichier supplémentaire 1 :Fig. S1a-d, et discussion associée) [41]. La figure 2b montre qu'un QCSE plus sévère améliore la séparation spatiale des fonctions d'onde porteuses à faible densité de courant, ce qui conduit à un taux de recombinaison radiative plus faible. Les taux de recombinaison radiative et les spectres EL sans et avec effet de polarisation, c'est-à-dire sans et avec QCSE, sont ensuite calculés pour montrer comment la séparation électron-trou réduit quantitativement l'émission à faible densité de courant. La figure 2c, d montre que l'intensité intégrale du taux de recombinaison radiative et l'intensité EL sont réduites d'environ 84,0% et 72,3% par QCSE, respectivement. Ces résultats indiquent qu'il est plus difficile d'améliorer l'efficacité des micro-LED que leurs cousions haute puissance traditionnelles en raison du QCSE amélioré à faible densité de courant.

un Diagrammes de bandes d'énergie et fonctions d'onde des électrons et des trous de premier niveau associées du cinquième QW à 200 et 0,1 A/cm ² , respectivement. b Distance de séparation de la position du pic des fonctions d'onde des électrons et des trous à 200 et 0,1 A/cm ² , respectivement. c Taux de recombinaison radiative et d Spectres EL calculés à 0,1 A/cm ² sans et avec polarisation, respectivement. e Points de couleur créés à partir des LED bleues, vertes et rouges avec une densité de courant de 0,1 à 20 A/cm ² tracé sur le diagramme de chromaticité 1931-CIE (x, y)

De plus, le contrôle précis et stable de la longueur d'onde d'émission à différentes densités de courant d'injection est essentiel pour l'affichage micro-LED, car il détermine divers paramètres importants, tels que la luminosité, la précision des couleurs et la saturation. Cependant, un QCSE plus sévère à faible densité de courant en fait un défi de taille, en particulier pour les micro-LED vertes et rouges qui nécessitent une composition d'indium plus élevée. En conséquence directe de la courbure de bande accrue dans les QW InGaN avec une composition d'indium plus élevée et un QCSE plus fort, le décalage de longueur d'onde par rapport à la densité de courant devient plus prononcé en raison de l'effet d'écran. Les spectres EL des micro-LED rouges, vertes et bleues à base d'InGaN avec différentes densités de courant sont ensuite calculés pour montrer comment le décalage du spectre affecte les points de couleur sur l'affichage. Fichier supplémentaire 1 :La figure S2 montre que de 0,1 à 20 A/cm ² , les longueurs d'onde de pointe se déplacent vers le bleu d'environ 15,8, 6,6 et 1,7 nm pour les micro-LED rouges, vertes et bleues, respectivement. Les points de couleur créés en combinant les micro-LED rouges, vertes et bleues sont également calculés, comme résumé dans le fichier supplémentaire 1 :tableau S1. La figure 2e illustre le diagramme de chromaticité 1931-CIE (x, y) correspondant. De toute évidence, la couleur de l'émission des micro-LED RVB a considérablement changé du vert au bleu-vert lorsque la densité de courant augmente. La valeur 1931-CIE x passe de 0,1676 à 0,2084, et la valeur 1931-CIE y passe de 0,3891 à 0,3106. Ce changement substantiel de point de couleur par rapport à la densité de courant détériore considérablement les performances de l'affichage micro-LED.

De nombreux rapports ont suggéré plusieurs approches pour supprimer le QCSE, telles que l'utilisation de barrières ultra-minces en superréseau InGaN/AlGaN [45], les MQW InGaN/GaN/AlGaN/GaN avec barrière intercouche GaN [46], les MQW ridés [47] et l'insertion une couche de décharge de traction avant les MQW [48]. Mais QCSE est induit par les propriétés intrinsèques de c -matériau nitrure plan. Plusieurs ajustements de MQW ne sont pas suffisants pour supprimer complètement cet effet. Récemment, une efficacité décente a été obtenue pour les LED au nitrure non polaire. Si le coût du substrat GaN non polaire peut être réduit, la LED non polaire peut être une solution idéale pour diminuer le QCSE et réaliser une émission polychrome stable [49].

Transport et appariement des transporteurs

L'électron (J _n ) et le trou (J _p ) la densité de courant peut être exprimée comme suit :

où σ _n et σ _p désigne la conductivité, n et p sont la concentration, μ _n et μ _p sont la mobilité de l'électron et du trou, respectivement, et E désigne le champ électrique. Dans le nitrure, la concentration des trous est inférieure d'un ordre de grandeur à celle de l'électron [50], et la mobilité des trous est inférieure de deux ordres de grandeur à celle des électrons [51]. Cette asymétrie de concentration et de mobilité conduit à la désadaptation des flux porteurs (J _n > J _p ) et détériore les performances de la LED de deux manières.

Efficacité d'injection actuelle :Efficacité d'injection actuelle η _CIE représente le rapport du courant de recombinaison J _recomber au courant total J _total , comme l'équation suivante [52] :

J _recomber dépend du plus petit des courants porteurs, c'est-à-dire le courant de trou. L'équation (6) confirme que l'inadéquation du transporteur (J _n > J _p ) limite la maximisation du CIE.

Taux de recombinaison radiative :Le taux de recombinaison radiative R _rad est décrit par la règle d'or de Fermi comme l'équation suivante :

où C est une constante, E _cv est l'énergie de transition, h est la constante de Planck, ν _cv est la fréquence de la lumière générée, ρ _r est la densité réduite d'états, f _c et f _v sont les distributions de Fermi-Dirac, et |M _T | ² est l'élément de matrice de quantité de mouvement [53]. Moins de trous et une accumulation d'électrons supplémentaires dans le QW peuvent conduire à l'expansion du réseau cristallin et à l'accumulation de contraintes de traction. Sous cette variation de contrainte, les densités de charge des niveaux quantiques autour du maximum de la bande de valence sont réduites. Cela diminue encore la probabilité de transition optique et réduit R _rad selon l'éq. (sept). De cette manière, la désadaptation de la porteuse locale dans un seul QW limite également l'IQE. Une discussion plus spécifique sur ce sujet peut être trouvée dans les rapports précédents [54,55,56].

Dans les sections suivantes, les influences du nombre QW, p La concentration de dopage de type et la structure EBL sur le transport des porteurs seront analysées pour déterminer les meilleures conditions d'appariement des porteurs. Enfin, une structure épitaxiale optimisée pour l'affichage efficace à micro-LED fonctionnant à faible densité de courant sera proposée.

Mise en correspondance des transporteurs dans 5QW

Tout d'abord, les propriétés de transport de porteurs de micro-LED bleues avec 5QW sont simulées. Les distributions de concentration de porteurs à 200 A/cm ² et 0,1 A/cm ² sont illustrés dans le fichier supplémentaire 1 :Fig. S3a et b, respectivement. La distribution inhomogène dans 5 QW peut être observée à la fois à des densités de courant élevées et faibles. Fichier supplémentaire 1 :Les figures S3c et d montrent que la mobilité électronique dans les MQW (684 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ) est supérieur de deux ordres de grandeur à la mobilité du trou (10 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ). Par conséquent, les électrons peuvent simplement s'injecter dans les MQW, puis les traverser sans participer à la recombinaison, ce qui entraîne un problème de fuite d'électrons et un faible CIE [51].

La figure 3a montre la distribution de la densité de courant d'électrons et de trous à 200 A/cm ² . Densité totale de courant de trou (217,4 A/cm ² ) ne représente que 65,2 % de l'électron (333,3 A/cm ² ), indiquant une grave inadéquation du transporteur et un faible CIE. Le courant électronique de fuite atteint 116,0 A/cm ² , ce qui détériore à la fois l'efficacité radiative et l'injection de trous. Comme le montre la figure 3b, le courant électronique de fuite n'est que de 0,01 A/cm ² , et le η calculé _CIE atteint 95 % à 0,1 A/cm ² . Ces résultats indiquent que l'obtention d'un CIE élevé est plus facile à faible densité de courant. Cependant, sauf le 5ème QW où J _p peut être égal à J _n , la désadaptation des porteurs et l'accumulation d'électrons supplémentaires sont assez graves dans les quatre autres QW (QW 1, 2, 3 et 4) à la fois à haute et basse densité de courant. À 200 A/cm ² , les densités de courant électronique de ces quatre QW sont 120, 43, 16 et 5 fois plus élevées que la densité de courant de trou (Fig. 3a). À 0,1 A/cm ² , ils sont 23, 9, 4 et 2 fois plus élevés que le courant de trou (Fig. 3b). Basé sur l'éq. (7), cette grande désadaptation des porteuses diminue évidemment le taux de recombinaison radiative de ces quatre QW. Par conséquent, les taux de recombinaison radiative dans ces quatre QW sont d'environ 3,4 %, 4,0 %, 10,1 % et 34,2 % à 200 A/cm ² , et 11,3 %, 10,1 %, 10,7 % et 21,2 % à 0,1 A/cm ² par rapport au 5e QW. Ces désadaptations de porteuses et leur faible émission radiative réduisent enfin l'efficacité monolithique des micro-LED.

Distribution de courant porteur de LED avec 5QW a à 200 A/cm ² et b à 0,1 A/cm ² . Taux de recombinaison radiative des LED avec 5QW c à 200 A/cm ² et d à 0,1 A/cm ²

Facteurs influençant le transport et l'appariement des transporteurs

Numéro QW :Pour les LED traditionnelles de grande taille fonctionnant à une densité de courant élevée, des MQW avec 5, voire 8 ou 10 périodes doivent être utilisés pour obtenir une puissance de sortie optique élevée. Cependant, pour l'affichage émissif micro-LED, la puissance de sortie est beaucoup plus petite et la densité de courant de travail est beaucoup plus faible. Comme discuté dans la section précédente, même à faible densité de courant, la désadaptation des porteuses reste assez sévère dans 5QW, et un seul QW peut atteindre la meilleure condition d'adaptation. De ce point de vue, pour la micro-LED fonctionnant à faible densité de courant, la région active avec moins de nombre QW devrait être une meilleure conception pour améliorer l'efficacité en raison de l'amélioration de la correspondance des porteurs.

L'effet du nombre QW sur la micro-LED est étudié pour vérifier notre hypothèse. La figure 4a–f montre la densité de courant porteur et le taux de recombinaison radiative à 0,1 A/cm ² de LED avec 3QW, 2QW et 1QW, respectivement. Les courbes actuelles n'ont qu'un seul point d'intersection (un point de meilleure correspondance de porteuse, J _n = J _p ) en raison de la tendance monotone à la baisse du courant, mais avec moins de QW, comme dans les cas de 3QW et 2QW, deux points d'intersection peuvent être atteints dans deux QW différents (Fig. 4a, b). En d'autres termes, la désadaptation des porteuses dans les MQW peut être partiellement surmontée avec moins de QW. Surtout pour les 2QW, avec un réglage approprié, l'adaptation parfaite du flux porteur peut être obtenue dans les deux QW. Le taux de recombinaison radiative est également plus élevé dans les 2QW que dans les 3QW et 5QW car la consommation de porteurs par la recombinaison radiative est plus concentrée dans la région active avec moins de QW (Figs. 3d, 4d, e). Sans aucun doute, la meilleure correspondance de porteuse se trouve dans la LED avec un seul QW, et le taux de recombinaison radiative est également le plus élevé pour le 1QW, comme le montre la Fig. 4c, f.

Distribution de courant porteur de LED avec a 3QW, b 2QW et c 1QW à 0,1 A/cm ² . Taux de recombinaison radiative des LED avec d 3QW, e 2QW et f 1QW à 0,1 A/cm ²

La figure 5a, b montre l'IQE en fonction de la densité de courant entre 0 et 200 A/cm ² et 0 à 10 A/cm ² , respectivement. Pour une densité de courant supérieure à 50 A/cm ² , l'IQE diminue lorsque le nombre QW est réduit. En revanche, IQE avec une densité de courant inférieure à environ 30 A/cm ² augmente lorsque le nombre QW diminue. À 0,1 A/cm ² , les valeurs d'IQE pour 8, 5, 3, 2 et 1 QW sont de 55 %, 62 %, 69 %, 77 % et 78 %, respectivement. De plus, comme le montre la figure 5b, la position du pic IQE passe également de 6,0 A/cm ² en 8 QW à la densité de courant la plus faible environ 1,2 A/cm ² en 2QW. Les courbes IQE à faible densité de courant (< 1 A/cm ² ) deviennent également plus raides et plus nets avec un nombre QW inférieur, indiquant qu'il est plus facile et plus rapide d'atteindre l'efficacité la plus élevée. Ceci est très bénéfique pour améliorer l'efficacité à faible densité de courant. Le mécanisme physique derrière cette tendance de l'IQE peut s'expliquer par une meilleure correspondance du flux de porteurs et une émission radiative plus concentrée et plus forte dans la région active avec un nombre QW inférieur. Comme le montre la figure 5c, par rapport à 8 QW, l'intensité EL intégrale de 5, 3, 2 et 1 QW à 0,1 A/cm ² sont augmentés d'environ 6,1 %, 14,8 %, 28,4 % et 32,1 %, respectivement. Ce résultat confirme que non seulement l'efficacité mais aussi la puissance de sortie sont améliorées avec moins de nombre QW.

un Courbes IQE et b Courbes IQE à faible densité de courant de LED avec 8, 5, 3, 2 et 1 QW. c Spectres EL de LED avec 8, 5, 3, 2 et 1 QW à 0,1 A/cm ²

Les résultats de la simulation montrent que 1QW a l'intensité EL la plus élevée et peut-être la meilleure structure pour les micro-LED fonctionnant à faible densité de courant. Cependant, expérimentalement, il est difficile de faire croître par épitaxie un seul QW qui a une surface plane et une interface pointue. De plus, pour la structure 1QW, la position du pic IQE augmente légèrement à 2,9 A/cm ² , et la forme de la courbe IQE a également légèrement changé. Cela peut s'expliquer par la circonstance particulière du QW unique. Par rapport aux autres QW, le QW attenant à l'EBL a un environnement de polarisation spécial et il est considéré comme un « QW à problème ». Ce sujet sera discuté avec plus de détails dans la section de AlGaN EBL . Compte tenu de ces raisons, les 2QW devraient être la meilleure conception de région active, qui présente une bonne correspondance similaire du flux de porteurs, une valeur IQE proche et une intensité EL à 1QW. Par conséquent, dans les sections suivantes, toutes les simulations sont basées sur la micro-LED avec 2QW.

Concentration de dopage P-GaN :Les performances des LED 2QWs avec différents p -typer les concentrations de dopage en p -GaN fait l'objet d'une étude plus approfondie. Comme le montre la figure 6a, lorsque la concentration de dopage de p -GaN augmentant de 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ à 5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , les taux de recombinaison radiative à 0,1 A/cm ² augmente encore d'environ 3,1 % et 3,0 % pour les deux QW. La figure 6b montre que la densité de courant de trou totale augmente de 0,157 à 0,162 A/cm ² , pendant ce temps, la densité de courant électronique de fuite est réduite de 0,009 à 0,005 A/cm ² avec l'augmentation de la concentration de dopage. Il convient de noter que le courant de recombinaison dans le QW près de n -side est supérieur au QW près de p -côté (Fig. 6b). Par conséquent, le taux de recombinaison radiative près du n -côté QW est également légèrement supérieur à celui près du p -côté QW. Comme le montre la Fig. 6c, on peut constater que la barrière énergétique pour les porteurs dans EBL, qui est définie comme la distance d'énergie entre le niveau quasi-Fermi électron/trou et la bande de conduction la plus élevée ou la bande de valence la plus basse, est presque inchangée sous différents concentration de dopage de p -GaN, that is, the hole injection is not improved by increasing doping concentration. Figure 6d shows the average hole concentration in the p -GaN and QWs. The hole concentration in the p -GaN is almost exponentially dependent on the doping concentration. Inside the QWs, the hole concentration is increased approximately twice from 1.59 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ to 3.08 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ with a higher doping concentration. These results indicate that the increased hole concentration is the main contribution for the improvement of radiative recombination. Therefore, even at low current density, the p -type doping problem of nitride remains notable, and enhancing the doping efficiency and hole concentration is still beneficial for the efficiency of micro-LED.

un Radiative recombination rates of 2QWs LED with various doping concentrations in p-GaN. b Carrier current distribution with different doping concentrations in p -GaN. c Enlarged energy band diagrams of EBL with different doping concentrations in p -GaN. d Average hole concentration in p -GaN and QWs with various doping concentrations of p -GaN

AlGaN EBL :In the last decades, a 10–20 nm p -type AlGaN EBL has become a standard structure for traditional nitride-based LEDs. This EBL is considered to block the electron leakage and suppress the efficiency droop under high injected current density. In spite of this, it is worth noting that the EBL is still a very complicated, subtle structure for the LED. It involves many important factors, including Al composition, p -type doping efficiency of AlGaN, band offset ratios, and polarization effect. Each of them can influence the band structure and carrier transport substantially, then determines the effectiveness of EBL. For the construction of EBL, thickness, composition, and doping concentration must be considered and optimized carefully to balance the enhancement of electron confinement and the blocking of hole injection, otherwise, the opposite may happen, and the performance of LED might deteriorate. For micro-LED, the effectiveness of EBL for operating at low current density must be reconsidered, which may be different with the case of traditional high input/output LED.

a. Doping concentration of EBL :First, the effect of EBL doping concentration on carrier transport at low current density is investigated. The thickness and Al composition of EBL are fixed as 20 nm and 0.15, respectively. Considering the low solubility of Mg dopant in AlGaN, the crystal degradation, and compensation effect by over-doping [50], the doping concentration of EBL is first set as be 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . Figure 7a shows the corresponding energy band structure. Clearly, despite the existence of EBL, the electron leakage out of the QW still can be caused by the insufficient electron confinement due to the downward bending of the last QW and EBL. A new energy valley under the electron quasi-Fermi level appears at the interface of last QB and EBL. Thus, electrons would escape from QW and accumulate in this area. This distortion of band structure makes the EBL relatively ineffective, and it can be contributed to the polarization effect. As shown in Fig. 7c, the strong polarization induces a large amount of charges at the interfaces. Due to the unbalanced polarization charges are positive at the interface of the last QB/EBL, a large electrostatic field pointing from the p -side to the n -side builds up in the last QB, which is opposite to the fields in other QBs and EBL. These electrostatic fields pull down the energy band of the last QB and EBL. Moreover, the electric fields in the last QW and last QB both can attract electrons and drive them out of the active region into the p -layer. This can be observed in the carrier concentration diagram, as shown in Fig. 7d. The dotted black line indicates that a part of the electrons escape from the active region and accumulate at the interface of last QB/EBL. In the EBL and p -GaN, the leakage electron remains relatively high.

Energy band diagrams of 2QWs LED with a 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ et b 6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ doping concentration in AlGaN EBL. c Space charge density and d carrier concentration distribution of 2QWs LED with 3 × 10 ¹⁸ and 6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ doping concentration of EBL. The inset of c shows the direction of polarization fields

On the other hand, the EBL also introduces a potential barrier as high as 480 meV for hole injection. Moreover, as shown in Fig. 7a, c, an energy valley close to the hole quasi-Fermi level appears at the interface region between the EBL/p -GaN due to the polarization effect. As indicated by the solid black line of Fig. 7d, most of the holes are blocked by the EBL and thus, accumulate at the energy valley of the EBL/p -GaN interface. Owing to this inefficient carrier transport, the last QW is considered as a “problem QW,” and the EBL only has a low capability for electron confinement, and should be responsible for the poor hole injection. Compared with the traditional high input/output LED, this polarization induced ineffectiveness of the EBL function could be particularly severe for the micro-LED due to the enhanced polarization effect by less carrier screening at low current density.

Band engineering by increasing the doping concentration of EBL is a possible method to improve the electron confinement and hole injection. The activation energy of Mg dopant in AlGaN EBL is higher than GaN, therefore, even under a similar doping concentration, the active hole concentration in EBL remains much lower than p -GaN. The lower hole concentration could further separate the hole quasi-Fermi level and valence band, then increase barrier height. Based on this analysis, the doping concentration of EBL needs to be much higher than p -GaN. Considering the doping limitation in actual experiment, 6 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ is selected as a new doping concentration in the EBL. As shown in Fig. 7b, by increasing the doping concentration, the valence band of EBL is lifted due to the alignment of hole quasi-Fermi level, resulting in a reduced hole energy barrier of 281 meV. Moreover, the high p -type doping also helps lower the electron quasi-Fermi level with respect to the conduction band in EBL, hence increasing the effect barrier for electron leakage to 1175 meV. These changes improve electron confinement and hole injection. Figure 7d shows that compared with the doping concentration of 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , the hole concentration in the active region is greatly increased, and the leakage electron in the EBL and p -GaN is reduced to almost zero. However, the energy valley at the interface between the EBL/p -GaN still exists. Moreover, the upward of valence band also introduces a new energy valley for the hole accumulation at the interface between the last QB/EBL, which can be confirmed by the hole concentration distribution in Fig. 7d. These energy valleys can impede the hole injection into QWs, hence compensating the advantage of high doping concentration.

b. Al composition of EBL :Compared with the increase of doping concentration, reducing the composition of AlGaN EBL may be an easier, more efficient method to improve the carrier transport at low current density. The effectiveness of EBL is sensitively dependent on Al composition, band offset, and polarization effect. Increasing the Al composition of EBL can increase the band offset between the last QB/EBL, which increases the electron barrier height. However, as shown in Fig. 8a, the polarization-induced charges at the interfaces also increase accordingly, which pull down the electron barrier height. Two mechanisms have the opposite effect for confining electrons.

un Space charge density distribution of 2QWs LED with different EBL. The inset shows the direction of polarization field. Energy band diagrams of 2QWs LED b with Al_0.1 Ga_0.9 N EBL and c without EBL. d Carrier concentration distribution, e carrier current density, f IQE and g EL spectra of 2QWs LED with different EBL. The inset of g shows the working voltages at 0.1 and 1 A/cm ² with different EBLs

Based on this analysis, the carrier transport of 2QWs micro-LEDs with different EBL structures at 200 and 0.1 A/cm ² are investigated. The result of effective energy barrier heights of different EBL are summarized in Table 1. First of all, both the electron and hole energy barriers at low current density are much higher than the cases of at high current density due to the lower nonequilibrium carrier population. A higher energy barrier can improve the electron confinement, but also severely impedes the hole injection at low current density. This indicates that the influence of EBL on the carrier transport of micro-LED operating at low current density is much higher than that of the traditional high input/output LED. Table 1 also shows that with a relatively low Al composition in EBL, the electron barrier decreases with Al composition increased, which indicates that the downward of conduction band induced by polarization effect is larger than the increased band offset introduced by the higher Al composition. By further increasing the composition, the electron barrier increases along with composition, meaning that the band offset becomes dominant over the polarization effect. Compared with high current density, this turning point of composition is higher at low current density due to the enhanced polarization effect by less carrier screening. On the other hand, because of the original band offset between the last QB/p -GaN and the band bending, there are energy barriers for electron and holes exist at the interface even without the EBL. At 200 A/cm ² , when the composition is lower than 0.20, the electron energy barrier is lower than the case of without EBL, but the hole barrier is higher approximately 64 meV. At 0.1 A/cm ² , even with composition higher than 0.20, the electron barrier of AlGaN EBL (523 meV) is still 151 meV lower than the case of without EBL (674 meV), but the hole barrier is increased approximately 76 meV from 409 to 485 meV. These results indicate that both the electron confinement and hole injection could be deteriorated by the EBL with an incorrect composition, especially for micro-LED operating at low current density.

For a deep analysis, band structures of micro-LEDs with Al_0.10 Ga_0.90 N EBL and without EBL as representatives are illustrated in Fig. 8b, c. The EBL introduces two energy valleys at the interface of last QB/EBL and EBL/p -GaN for electron and hole accumulation, respectively, which can be confirmed by the carrier concentration diagram in Fig. 8d. Therefore, the electron confinement and hole injection are poor for this structure. When the EBL is removed, as shown in Fig. 8c, the energy barrier for electron is increased, and the energy valley for electron extracting and accumulation disappeares. These changes prevent electrons leakage more effectively, as confirmed in Fig. 8d. Meanwhile, the barrier height for hole injection is reduced, and the energy valley at the EBL/p-GaN interface is also removed. So, the hole can transport directly into the QW without facing large obstacle, as shown in Fig. 8c, d.

The above careful investigation suggests that without EBL may be a better structure for the micro-LED operating at low current density. Simulation results support our suggestion. Figure 8e illustrates the carrier current density at 0.1 A/cm ² with different EBL structures. When the Al composition of the EBL is reduced from 0.15 to 0.04, the total electron and hole current densities increase from 0.167 and 0.159 A/cm ² to 0.225 and 0.225 A/cm ² , respectivement. Moreover, when the EBL is completely removed, both the total electron and total hole current densities greatly increase to 0.528 A/cm ² , which is approximately 3 times higher compared with the Al_0.15 Ga_0,85 N EBL. This enhancement is contributed to the improved electron confinement and hole injection.

Figure 8f shows the IQE curves at low current density. When the Al composition of EBL is reduced from 0.15 to 0.04, the IQE values increase evidently due to the improved carrier transport. However, by removing the EBL, the IQE value experiences a slight decrease compared with Al_0.04 Ga_0.96 N EBL. This can be explained by the carrier matching in two QWs. As indicated by the green arrows in Fig. 8e, a, perfect carrier matching occurred in both the two QWs with Al_0.04 Ga_0.96 N EBL. With the increase of current density by removing EBL, the matching of electron and hole flux has been slightly broken in the first QW, where the electron current density is slightly higher than the hole. Therefore, the IQE is slightly reduced because of this carrier mis-matching in one QW.

The superiority of micro-LED without EBL is still remarkable due to the improved carrier transport. As shown in Fig. 8g, at 0.1 A/cm ² , the integral EL intensities of micro-LED without EBL are 3.53, 3.23, and 2.38 times higher compared with the LED with Al_0.15 Ga_0,85 N, Al_0.10 Ga_0.90 N and Al_0.04 Ga_0.96 N EBL, respectively. Moreover, as shown in the inset of Fig. 8g, the working voltages under 1 A/cm ² and 0.1 A/cm ² are reduced about 0.53 V and 0.57 V by removing the EBL, respectively. This improves the electrical efficiency, then finally increases the WPE of micro-LED. To further confirm that the EBL-free structure is a better design for micro-LED operating at low current density, another simulation is performed using the reported blue micro-LED structure with maximal known efficiency. The results and discussions can be found in the Supporting Materials (Additional file 1:Fig. S4a-d).

Optimized Structure for Micro-LED Operating at Low Current Density

Based on above simulation and analysis, the optimized epitaxial structure specifically designed for the efficient micro-LED emissive display operating at low current density is proposed, as shown in Fig. 9. Three principles must be followed. First, in contrast to the traditional large-size high-power nitride LED, the QW number of micro-LED should be reduced to just two, which has a better condition for the carrier matching, a more concentrated radiative emission, and higher IQE and WPE. Second, the p -type doing still needs to be enhanced due to the relatively low hole concentration and mobility compared with the electron in nitride, which demands a more efficient p -type doping strategy. Third, to improve the carrier transport and matching, the doping concentration of AlGaN EBL should be greatly enhanced, or the AlGaN EBL can be completely removed. Without using the AlGaN EBL, the electron confinement, hole injection, carrier matching, IQE, and WPE of the micro-LED can be greatly improved at low current density.

Schematic illustration of the optimized epitaxial structure designed specifically for the micro-LED emissive displays operating at low current density

Auger Recombination and SRH Non-radiative Recombination

Basé sur l'éq. (3), except for radiative recombination, the SRH and Auger recombination also play critical roles in the IQE of LED. Hence, it is important to investigate the effects and mechanism regarding the SRH and Auger recombination for the micro-LED. In this part, the LED structure with 2QWs is still used, and all the simulation parameters are the same as mentioned in the Methods except for SRH lifetimes.

Negligible Auger and Prominent SRH Recombination

The SRH recombination rate can be expressed as follows [57]:

où n _i is the intrinsic carrier concentration, τ _p et τ _n are the hole and electron SRH lifetimes, respectively, E _T is the energy difference between the trap level and the intrinsic Fermi level, c _p et c _n are the capture coefficients for electron and hole, N _t is the trap density, σ _p et σ _n are capture cross sections for electron and hole, and ν _p et ν _n are the average thermal velocities of electron and hole, respectively. Selon les équations. (8)-(10), the SRH recombination of a trap is completely specified by its density, capture cross sections and energy level.

The Auger recombination rate is given by the following:

où C _n et C _p are the Auger recombination coefficients.

Given that the injected hole and electron concentrations are much higher than the intrinsic carrier concentration in the undoped QWs (according to simulation result, the highest carrier concentration in QW is only approximately 10 ⁷ cm ⁻³ in the absence of externally injected current), the SRH and Auger recombination rate can be further simplified as the following equations:

Equations (12) and (13) clearly show that R _SRH is in direct proportion to the first power of the carrier concentration, but R _Auger depends on the third power of the carrier concentration, that is, R _SRH is sensitive to low current density, while the R _Auger is more dominant at high current density.

This theoretical analysis agrees with our simulation results. Figure 10a, b shows the calculated radiative, SRH, and Auger recombination rates at 200 and 0.1 A/cm ² , respectivement. At high current density, the Auger recombination rate (about 0.8–1.4 × 10 ²⁹ cm ⁻³ s ⁻¹ ) is comparable wiht the radiative rate (about 4.2–6.0 × 10 ²⁹ cm ⁻³ s ⁻¹ ). In fact, the substantial problem of efficiency droop at high drive currents is now widely acknowledged as caused by the Auger recombination [20]. While, at low current density, relatively, the Auger recombination rate dramatically decreases to two orders of magnitude lower (about 6.3–7.2 × 10 ²² cm ⁻³ s ⁻¹ ) than the radiative recombination (about 3.7–4.0 × 10 ²⁴ cm ⁻³ s ⁻¹ ). Therefore, the Auger recombination should be negligible at low current density. Conversely, with the decrease of current density, the SRH recombination rate relatively increases from a small value at 200 A/cm ² (two orders of magnitude lower than radiative recombination) to a level comparable with the radiative emission at 0.1 A/cm ² . As a result, the micro-LED operating at low current density requires improvement in the SRH or defect recombination instead of the Auger recombination.

Radiative, SRH, and Auger recombination rates of 2QWs LED a at 200 A/cm ² et b at 0.1 A/cm ² . c SRH/Radiative ratio with various SRH lifetimes at 200 and 0.1 A/cm ² . d IQE values at 200 and 0.1 A/cm ² , e IQE curves with large current density and f IQE curves with low current density at various SRH lifetimes

Requirement for Low Defect Density

Selon l'éq. (9), SRH lifetimes, τ _p et τ _n , are in inverse proportion to the density of defects N _t . Therefore, the effect of defect density can be estimated by simply changing the SRH lifetime in the simulation. Figure 10c shows the calculated ratio of SRH/radiative recombination rate at various SRH lifetimes. With the decrease of SRH lifetimes from 150 to 50 ns, i.e., the increase of defect density, the SRH/radiative ratio slightly increases from 0.01 to 0.03 at 200 A/cm ² , but greatly increases from 0.15 to 0.43 at 0.1 A/cm ² . This means that a much larger percentage of carriers is consumed by the trapping defects at low current density. Therefore the efficiency is much more sensitive to the defect density at low current than high current density. The IQE results as shown in Fig. 10d, e confirm this trend. With the decrease of SRH lifetimes from 150 to 50 ns, IQE only decreases about 0.01 at 200 A/cm ² , but dramatically decreases about 0.17 at 0.1 A/cm ² . Moreover, as shown in Fig. 10f, with the decrease of SRH lifetime, the position of peak IQE also moves from 3.1 A/cm ² to a higher current density of 9.0 A/cm ² , and the IQE curves become less steep and sharp, which means that the threshold/onset current is increased. This is disadvantageous for improving the efficiency of micro-LED at low current density.

Compared with the traditional large-size high-power LED working at high current density, the micro-LED operating at low current density is much more sensitive to defect density, and minimizing the defect recombination is of paramount importance for achieving a high efficiency. Therefore, the micro-LED requires a much more higher crystal quality of materials than the traditional LED, and poses large challenges for the epitaxial growth of the material and the fabrication of the device for the community.

Conclusions

In summary, the operating behaviors, mechanisms and conditions of InGaN micro-LED operating at low current density are numerically investigated, and an optimized epitaxial structure specifically designed for the micro-LED display is proposed. Analysis of the polarization effect shows that micro-LED suffers a severer QCSE at low current density. Hence, improving the efficiency and controlling the emission color point are more difficult. Carrier transport and matching are analyzed to determine the operating conditions of micro-LED. It is shown that less QW number can improves the carreir matching and leads to higher efficiency and output power at low current density. Effectiveness of the EBL for micro-LED is analyzed, and electron confinement and hole injection are found to be improved simultaneously at low current density by removing the EBL. Moreover, simulaiton has shown that the Auger recombination is negligible, but the SRH recombination greatly influences the efficiency of micro-LED at low current density, which has raised higher requirements for the crystal quality of materials and the fabrication process of devices. Our numerical study can provide valuable guidance for creating efficient micro-LED display and promote future research in this area.

Disponibilité des données et des matériaux

The data and the analysis in the current work are available from the corresponding authors on reasonable request.

Abréviations

Micro-LED:

Micro-light-emitting-diode

QCSE :

Quantum-confined Stark effect

EBL :

Electron blocking layer

SSR :

Shockley–Read–Hall

LCD:

Liquid–crystal display

OLED :

Diode électroluminescente organique

TV:

Televisions

VR:

Virtual reality

RA :

Augmented reality

QW :

Puits quantique

MQW :

Multiple quantum wells

EQE :

Efficacité quantique externe

IQE :

Efficacité quantique interne

QB:

Quantum barrier

WPE:

Wall-plug efficiency

CIE :

Current injection efficiency

LEE :

Efficacité d'extraction de la lumière