晶圆质量对蓝光和绿光微型发光二极管（micro-LED）芯片尺寸相关效率变化的影响
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1. 概述
本研究提出了与 LED 的表面复合速度和辐射效率相关的关键因素，以估计其芯片尺寸相关的辐射效率。通过各种 LED 晶片之间的实验比较，验证了所提因子的有效性。通过与温度相关的光致发光实验来检查基于蓝光和两个绿光 LED晶片的 micro-LED 的效率。从芯片尺寸相关的时间分辨PL结果中提取表面复合速度。文中还对两个绿光晶片表现出不同性质的原因给出了可能的解释。利用所提出的因子，研究人员可以对LED晶片的芯片尺寸相关效率提供更准确的预测。
2. 样品制备
通过金属有机化学气相沉积法在图案化蓝宝石衬底上生长一个蓝光LED晶片和两个绿光LED晶片。三个晶片的外延结构由相似的结构组成，例如n-GaN层、InGaN/GaN超晶格、InGaN/GaN多量子阱（MQW）和p型GaN层。然而，对于蓝光和绿光LED晶片，量子阱势垒的厚度以及量子阱的周期被不同地优化。对于蓝光LED晶片，生长7周期的InGaN（3nm）/GaN（7nm）有源区，其中第一量子阱是n型掺杂的。两种绿光LED晶片均采用6周期的InGaN（2.8 nm）/GaN（15 nm）有源区，其中第一阱也是n型掺杂。尽管两种绿光LED晶片具有相似的外延结构，但V/III比、生长温度和压力等生长条件发生了变化，导致晶圆级效率不同。在具有闭环氦低温系统的低温恒温器中进行了各种PL实验。低温恒温器的温度由PID温度控制器控制。选择一个重复频率为2 MHz、平均功率为200µW的405 nm脉冲激光器作为激发源，通过脉冲拾取和倍频制备波长调整为810 nm的钛宝石脉冲激光器。使用条纹相机（Hamamatsu）测量时间积分和时间分辨PL信号。采用传统光刻法和电感耦合等离子体反应离子刻蚀系统制备了不同芯片尺寸的micro-LED。使用Cl2和Ar气体以3:1的比例进行蚀刻，RF功率为250W，ICP功率为700W。蚀刻后测量平均蚀刻深度为1µm。对于低温CL测量，使用液氮将配备在扫描电子显微镜（SEM）中的CL系统冷却至80K。
图1 在20 K和300 K下拍摄的PL光谱：（a）蓝光LED晶片、（b）绿光LED晶片1、（c）绿光LED晶片2
图2（a） 蓝光与绿光LED晶片在室温下PL效率的芯片直径相关性。PL效率是通过20和300K之间的强度比来估算的。裸晶片的PL效率一起显示，以比较芯片制造工艺前后的PL效率。（b） 通过每个裸晶片的PL效率归一化的三个LED晶片的取决于芯片直径的PL效率。
图3 从PL强度降低到其最大值的1/e时的时间衰减中提取的作为芯片直径倒数的测量载流子寿命：（a）蓝光LED晶片和（b）两个绿光LED晶片
图4 芯片直径相关辐射（实线）与非辐射（（虚线））载流子寿命，其通过测量的载流子寿命和PL效率来计算：（a）绿光LED晶片1、（b）绿光LED晶片2。为了进行比较，还示出了每个裸晶片的辐射和非辐射载流子寿命。
图5 对于绿光LED晶片1和2，将温度相关的PL强度归一化为在20K下测量的PL强度
3. 结论
研究人员研究了在裸晶圆上具有不同效率的蓝光和绿光微型发光二极管中效率随制造的芯片尺寸的变化。该团队提出了一个关键因素，在vs/T0−1，它比之前单独提出的表面复合速度更准确地确定了尺寸相关效率的趋势。虽然本工作中主要将两个绿光 LED 晶圆与一个蓝色 LED 晶片进行比较，但无论中心波长如何，推导出的公式关系都是有效的，因为涉及与有源区相关的所有信息，包括辐射和非辐射复合率以及表面复合速度。基于温度相关的 PL 和 CL 图像分析，给出了两个绿色LED晶片显示不同特性的可能解释。利用所提出的因子，可以更准确地预测LED芯片尺寸相关效率，从而更好地评估适合 Micro LED 显示应用的发射各种波长的晶圆。
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