Калифорнийский университет Санта-Барбары (UCSB) в США сообщил об использовании туннельных переходов (TJ) для объединения зеленых и синих микро-светодиодов (μLED), выращенных методом химического осаждения из газовой фазы (MOCVD). [Panpan Li et al, Optics Express, vol29, p22001, 2021; Panpan Li et al, Appl. Phys. Lett., vol118, p261104, 2021].
Комментарий исследователей: «Конструкция позволяет реализовать каскадные сине-зеленые μLED в одном устройстве с независимым управлением переходом, то есть мы можем управлять синими μLED-светодиодами, зелеными μLED-светодиодами и сине-зелеными μLED-светодиодами независимо на одном устройстве, подавая ток через разные колодки ».
Обычно такие каскадные устройства имеют низкую производительность, поскольку скрытые слои p-GaN трудно реализовать, особенно в MOCVD. Проблема заключается в добавлении водорода из аммиака (NH3), используемого в качестве источника азота. Хотя аммиак также часто используется при росте молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), существует также возможность использовать вместо него газообразный азот, что позволяет избежать этой проблемы. Однако MOCVD является предпочтительной технологией в производстве из-за его более высоких темпов роста, снижения затрат и так далее.
Включенный водород пассивирует магний, который используется для легирования p-типа. Термический отжиг используется для удаления водорода и повторной активации p-GaN. Но с похороненным p-GaN трудно удалить водород в достаточной степени. Однако при использовании μLED площадь боковой стенки увеличивается по сравнению с объемом скрытого p-GaN, что потенциально позволяет эффективно уносить водород во время отжига.
Туннельные переходы позволяют току течь через pn-переходы с обратным смещением. Это достигается подходящим сильным легированием для выравнивания валентной зоны и зоны проводимости соседних слоев, чтобы обеспечить двустороннее туннелирование электронов и дырок через очень тонкую обедненную область.
Команда видит потенциал для каскадных μLED из таких приложений, как дополненная и виртуальная реальность, дисплеи с большой площадью и системы связи в видимом свете.
Исследователи использовали стандартные синие пластины μLED в качестве шаблонов для дальнейшего роста TJs с помощью MOCVD и зеленых слоев μLED (рис. 1). Первый TJ состоял из n-InGaN / n + -GaN / n-GaN на контактном слое p + -GaN синей структуры μLED.
Рисунок 1: (а) схематическое каскадное соединение синего и зеленого микроконтроллеров TJ и (б) изображение изготовленного устройства с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Зеленая структура μLED состояла из n-GaN, сверхрешетки, состоящей из пар InGaN / GaN с низким содержанием индия, пяти квантовых ям InGaN / AlGaN / GaN, слоя p-AlGaN, блокирующего электроны, и p-GaN / p + – Контактный слой GaN.
Конечный TJ был выращен после удаления пластины из реактора и очистки с последующим возвращением в камеру MOCVD.
Изготовление μLED началось с двух этапов реактивного ионного травления, чтобы обнажить зеленый и синий контактные слои n-GaN. Столбики были достаточно малы, чтобы обеспечить возможность быстрого термического отжига (RTA), чтобы исключить водородную пассивацию из слоев p-GaN через боковые стенки, обеспечивая эффективную активацию акцепторов магния.
В некоторых из представленных μLED в качестве верхнего контакта (Appl. Phys. Lett.) Использовался оксид индия и олова (ITO) вместо второго TJ (Optics Express). Микро-светодиоды включают в себя всенаправленный отражающий слой, состоящий из пяти пар пентоксид тантала / диоксида кремния, и последний слой оксида алюминия, нанесенный с помощью ионно-лучевого осаждения. Боковые стенки были пассивированы диоксидом кремния (SiO2) методом атомно-слоистого осаждения (ALD). Металлами омического контакта были алюминий / никель / золото (Al / Ni / Au).
Синие части устройств излучали волны с длиной волны около 450 нм (451 нм, Appl. Phys. Lett., 455 нм, Optics Express). Была некоторая разница в производительности зеленых участков: с верхним TJ излучение было ближе к синему концу на 508 нм. (0,4 мА) по сравнению с 518 нм с ITO (3 А / см2). Полная ширина на полувысоте (FWHM) составляла ~ 20 нм для синих участков и ~ 30 нм для зеленых.
Рисунок 2: (а) электрические световые спектры при различных токах инжекции для синих / зеленых μLED с верхним TJ и (б) выделенный синий пик, зеленый пик и соотношение интенсивностей синего / зеленого пика при различных токах инжекции.
На верхних устройствах TJ зеленый пик смещался при разных токах инжекции, в диапазоне от 513 нм при 0,3 мА до 502 нм при 1 мА (рис. 2). Такие голубые сдвиги обычно связывают с такими эффектами, как заполнение локализованных состояний с более высокой энергией и экранирование поляризации заряда.
Прямое напряжение для тока 1 мА составляло около 4,2 В для синей секции и 3,5 В для зеленой с верхним TJ. Нормированное на площади мезы, прямое напряжение составляло 4,1 В для синего и 3,1 В для зеленого при инжекции 20 А / см2. Исследователи считают, что эти прямые напряжения являются одними из самых низких для зеленых GaN μLED с TJ-контактами.
Рисунок 3: (a) Токовые характеристики прямого напряжения (ВАХ) синих μLED, зеленых μLED и сине-зеленых μLED с верхним контактом ITO и (b) дифференциальное сопротивление в зависимости от плотности тока для синих μLED и зеленых μLED.
В устройствах с верхним TJ выходная мощность линейно увеличивалась до 4 мА, достигая 0,89 мВт для синего, 0,43 мВт для зеленого и 1,41 мВт вместе взятых.
Рисунок 4: Выходная мощность и эквалайзер в зависимости от плотности тока для синего (а) и зеленого (б) светодиодов с контактом ITO.
Для устройств с контактом ITO исследователи также сообщают о пиковой внешней квантовой эффективности (EQE) в 42% для синего излучения и 14% для зеленого. Выходная мощность для этих μLED достигла ~ 1,8 мВт синего и ~ 0,9 мВт зеленого при инжекции 200 А / см2 (~ 7 мА синий, ~ 3 мА зеленый), согласно тексту (соответствующие графики показывают значительно более низкие значения, которые я отслеживаю) .
.
