Optimierung von InGaN-Micro-LED-Strukturen für erhöhte Quanteneffizienz bei niedrigen Stromdichten

Zusammenfassung

Hier berichten wir über eine umfassende numerische Studie zum Betriebsverhalten und physikalischen Mechanismus von Nitrid-Micro-LEDs (Micro-Light-Emitting-Diodes) bei niedriger Stromdichte. Die Analyse des Polarisations-effekts zeigt, dass Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte einen stärkeren Quantum-Confined-Stark-Effekt (QCSE) erleiden, was Herausforderungen für Effizienzsteigerung und stabile Vollfarbemission darstellt. Ladungsträgertransport und -anpassung werden analysiert, um beste Betriebsbedingungen zu bestimmen und das Strukturdesign von Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte zu optimieren. Es zeigt sich, dass eine geringere Quantum-Well-Anzahl (QW) im aktiven Bereich die Ladungsträgeranpassung und radiative Rekombinationsrate verbessert, was zu höherer Quanteneffizienz und Ausgangsleistung führt. Die Wirksamkeit der Elektronenblockierschicht (EBL) für Micro-LEDs wird diskutiert. Durch Entfernen der EBL werden Elektroneneinschluss und Lochinjektion simultan verbessert, wodurch die Emission der Micro-LED bei niedriger Stromdichte signifikant gesteigert wird. Die Rekombinationsprozesse bezüglich Auger- und Shockley-Read-Hall (SRH)-Rekombination werden untersucht, und die Empfindlichkeit gegenüber Defekten wird für Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte hervorgehoben.

Synopsis: Der polarisationsinduzierte QCSE, Ladungsträgertransport und -anpassung sowie Rekombinationsprozesse von InGaN-Micro-LEDs im Betrieb bei niedriger Stromdichte werden numerisch untersucht. Basierend auf dem Verständnis dieser Bauelementverhalten und -mechanismen werden speziell designte epitaktische Strukturen einschließlich zwei QWs, hochdotierter oder fehlender EBL und p-GaN mit hoher Lochkonzentration für effiziente Micro-LED-emissive Displays vorgeschlagen. Die Empfindlichkeit gegenüber Defektdichte wird ebenfalls für Micro-LEDs hervorgehoben.

Schematische Darstellung der optimierten epitaktischen Struktur für Micro-LED-emissive Displays bei niedriger Stromdichte.

Einleitung

Gruppe-III-Nitrid-basierte sichtbare Leuchtdioden (LEDs) haben ein breites Anwendungsspektrum einschließlich Signalen, optischer Kommunikation, Informationsspeicherung, Hinterleuchtung, Displays und Allgemeinbeleuchtung (Solid-State Lighting) [1, 2]. Seit der ersten Demonstration einer InGaN-Micro-Disk-LED mit 12 µm Durchmesser durch Jiang und Mitarbeiter 2000 [3, 4] haben Micro-LEDs wachsendes akademisches und industrielles Interesse in Bereichen wie hochauflösende Displays, sichtbare Lichtkommunikation, Biomedizin und Sensorik erfahren [5-8]. Im Vergleich zu Flüssigkristall-Displays (LCDs) und organischen Leuchtdioden (OLEDs) bieten Micro-LEDs Vorteile wie kleine Größe, hohe Auflösung, hohe luminose Effizienz, hohe Helligkeit, hohe Farbsättigung, lange Betriebslebensdauer, hohe Ansprechgeschwindigkeit und Robustheit, was sie zum vielversprechendsten Kandidaten für nächste Display-Generationen macht [9, 10]. Anwendungsszenarien umfassen High-End-Fernseher, Laptops, Handheld- und mobile Endgeräte, Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR), transparente Displays u. a. Laut Yole-Schätzung wird der Micro-LED-Display-Markt 2025 330 Millionen Einheiten erreichen [11].

Traditionelle Anwendungen von Gruppe-III-Nitrid-LEDs, insbesondere Solid-State Lighting, erfordern maximale optische Ausgangsleistung [12]. In den letzten drei Jahrzehnten, motiviert durch Hochleistungsanwendungen, fokussierte die moderne Forschung zu Nitrid-LEDs – einschließlich Design und Optimierung der epitaktischen Struktur, Untersuchung des Betriebsverhaltens und physikalischer Mechanismen sowie Verbesserung der Fertigungstechnologie – hauptsächlich auf große Chips, hohe Arbeitsstromdichten und hohe Ein-/Ausgangsleistung [12, 13]. Vor allem hat sich der aktive Bereich von Nitrid-LEDs von einfachsten Heterostrukturen und einzelnen Quantum Wells (QWs) im frühen Stadium zu heutigen Multiple Quantum Wells (MQWs) mit 5 QW-Perioden entwickelt, und die QW-Zahl kann bei einigen kommerzialisierten Hochleistungsbauelementen sogar 8 oder 10 erreichen [14-17]. Die EBL wurde vorgeschlagen, um Elektronenleckage bei hoher Injektionsstromdichte zu blockieren, auch wenn sie die Lochinjektion teilweise behindern kann [18, 19]. Für konventionelle Hochleistungs-LEDs ist das wesentlichste Problem der Abfall der externen Quanteneffizienz (EQE) mit steigender Stromdichte, bekannt als Efficiency Droop. Der intrinsische Mechanismus dieses Verhaltens hängt mit indirekter Auger-Rekombination bei hoher injizierter Ladungsträgerdichte zusammen [20]. Für die Fertigung wurden Thin-Film-Flip-Chip- und vertikale Injektionsgeometrien entwickelt, um das Leistungsniveau von Nitrid-LEDs zu erweitern [21, 22].

Beträchtliche Fortschritte wurden für traditionelle große Hochleistungs-Nitrid-LEDs erzielt, und einige Lektionen können für die Micro-LED-Forschung genutzt werden. Micro-LEDs unterscheiden sich jedoch grundlegend von ihren Hochleistungs-Pendants. Unterschiedliche Betriebsverhalten, Mechanismen und Bedingungen können zu anderen Herausforderungen und Forschungswegen führen [23, 24]. Für traditionelle LEDs liegt der EQE-Gipfel bei hoher Stromdichte, und die Arbeitsstromdichte ist hoch und jenseits des Effizienzgipfels (> 30 A/cm²). Für Micro-LED-emissive Displays sollte die Arbeitsstromdichte jedoch viel niedriger sein, oft im Bereich 0,02 bis 2 A/cm² [24]. Bei dieser niedrigen Stromdichte ist die EQE traditioneller Nitrid-LEDs sehr niedrig und für praktische Micro-LED-Display-Anwendungen unzureichend. Durch Nutzung der V-Pit-Vorteile zur Dislokationsabschirmung und Lochinjektionsverbesserung schufen Zhang und Mitarbeiter effiziente InGaN-basierte LEDs mit Gipfeleffizienz bis 24,0 % bei 0,8 A/cm². Die von Zhang et al. berichteten LED-Chips sind jedoch auf traditionelle Größe (1 mm × 1 mm) beschränkt, was viel größer als Micro-LEDs ist [25]. Viele Arbeiten berichteten, dass interne Quanteneffizienz (IQE) und EQE von Micro-LEDs mit abnehmender Chipgröße sinken [26-28]. Diese größenabhängige Degradation wird hauptsächlich auf Oberflächenrekombination und Seitenwandschäden durch plasma-unterstütztes Trockenätzen zurückgeführt. Diese Seitenwandeffekte tragen zur Shockley-Read-Hall (SRH) nicht-radiativen Rekombination bei, verringern die Quanteneffizienz und werden bei kleineren Chips ernster wegen der größeren spezifischen Seitenwandfläche im Vergleich zum aktiven Bereich [29-31]. Zur Adressierung wurden Seitenwandpassivierung mit dielektrischen Materialien und Nassätzen mit gepuffertem Fluorwasserstoffsäure oder photoelektrochemischen Methoden vorgeschlagen, um diese Effekte für Micro-LEDs auf ein gewisses Maß zu minimieren [31-33]. Selbst durch Seitenwandpassivierung verbessert, liegt die Gipfel-EQE von Micro-LEDs (Größe < 60 µm) noch unter 25 % und fällt bei Stromdichten unter 2 A/cm² dramatisch auf wenige Prozent [34, 35]. Besonders bei InGaN-basierten roten Micro-LEDs ist die aktuell berichtete EQE auf unter 1 % begrenzt, aufgrund starker Polarisation und schlechter Kristallqualität [0,2 % für Mini-Displays. Appl Phys Express 14:011004]. Zudem verschiebt sich mit abnehmender Chipgröße die Position der Gipfel-EQE zu höherer Stromdichte, was hohe Effizienz bei niedriger Stromdichte weiter behindert [26].

Daher wird die Verbesserung der Quanteneffizienz bei niedriger Stromdichte zur großen Herausforderung und kritischen wissenschaftlichen Fragestellung für Micro-LED-emissive Display-Anwendungen. Dazu sollte die Gipfeleffizienz erhöht und die Einsetzposition der Effizienz auf eine angemessen niedrigere Stromdichte verschoben werden. Bisherige Arbeiten fokussierten hauptsächlich auf Fertigungstechnologie-Verbesserung wie Seitenwandpassivierung. Um die Effizienz zu verbessern, ist die Untersuchung der Betriebsverhalten und physikalischen Mechanismen von Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte – was noch relativ unerforscht und unverstanden ist – ebenfalls essenziell. Zudem muss die epitaktische Struktur von Micro-LEDs neu designed und optimiert werden, um Bauelemente zu schaffen, die Effizienz bei niedriger Stromdichte mit maximalem Wert verbessern können, was sich stark von traditionellen großen Hochleistungs-Pendants unterscheiden sollte. Bisher fehlt eine speziell für Micro-LED-emissive Displays bei niedriger Stromdichte designte epitaktische Struktur.

In dieser Arbeit werden die einzigartigen Herausforderungen von Micro-LEDs für Display-Anwendungen bei niedriger Stromdichte hervorgehoben und potenzielle Lösungen vorgeschlagen. Mit der Software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37] untersuchen wir numerisch die Betriebsverhalten und physikalischen Mechanismen von InGaN-Micro-LEDs bei verschiedenen Stromdichten von 200 bis 0,1 A/cm². Banddiagramm, Wellenfunktion und Polarisationsfeld werden für den QCSE der Micro-LED simuliert und analysiert, und ein stärkerer QCSE bei niedriger Stromdichte wird bestätigt. Einflüsse von QW-Anzahl, p-Typ-Dotierungskonzentration und AlGaN-EBL auf Ladungsträgertransport, -anpassung, radiative Rekombination und Quanteneffizienz werden systematisch untersucht. Effekt und Mechanismus bezüglich SRH- und Auger-Rekombination werden ebenfalls diskutiert. Basierend auf Simulation und Analyse wird eine optimierte epitaktische Struktur speziell für Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte vorgeschlagen.

Bauelementstrukturen und Simulationsmethoden

In dieser Studie wird die gängige Struktur blauer InGaN-Micro-LEDs mit rechteckiger Chipgröße 60 × 60 µm und Spitzenemissionswellenlänge ca. 465 nm für die Simulation verwendet. Abbildung 1 zeigt, dass die blaue Micro-LED aus 200 nm n-GaN-Lage, MQWs-aktivem Bereich, 20 nm p-Al_0.15Ga_0.85N EBL und 150 nm p-GaN-Lage besteht. Der MQWs-aktive Bereich besteht aus 8, 5, 3, 2 oder 1 Perioden mit 2,5 nm dicken In_0.25Ga_0.75N QWs eingebettet in 10 nm dicke In_0.05Ga_0.95N Quantenbarrieren (QBs). Die In-Zusammensetzung der MQWs wird angepasst und optimiert, um die gewünschte blaue Emissionswellenlänge zu erreichen. Die Dotierungskonzentrationen von n-GaN, p-AlGaN EBL und p-GaN betragen 2 × 10¹⁸ cm⁻³, 3 × 10¹⁸ cm⁻³ und 1 × 10¹⁹ cm⁻³.

Schematische Illustration der InGaN/GaN-basierten blauen Leuchtdiode für Simulation und Effizienzanalyse

Die optischen und elektrischen Eigenschaften der Micro-LEDs werden numerisch mit der Software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37] untersucht. In der Simulation werden 50 % der Grenzflächenladungsdichten durch spontane und piezoelektrische Polarisation angenommen [38]. Außer spezifisch erwähnt, werden SRH-Lebensdauer und Auger-Rekombinationskoeffizient auf 100 ns bzw. 1 × 10^–31 cm⁶s⁻¹ gesetzt [39, 40]. Das Bandversatzverhältnis wird 0,7/0,3 angenommen [41], die Lichtextraktionseffizienz auf 70 % fixiert, und die Betriebstemperatur auf 300 K. Andere Materialparameter finden sich in Ref. [42].

Ergebnisse und Diskussionen

Die Wall-Plug-Effizienz (WPE) einer LED lässt sich wie folgt ausdrücken:

WPE = P_out / (I_op × V) = η_EQE · ℏω / (e × V) = η_EQE × η_elect (1)

wobei P_out die optische Ausgangsleistung, I_op der Betriebsstrom, V die Betriebsspannung, ℏω die Photonenenergie und η_elect die elektrische Effizienz bezeichnet. Die EQE η_EQE ist das Produkt aus Strominjektionseffizienz (CIE) η_CIE, IQE η_IQE und Lichtextraktionseffizienz (LEE) η_LEE:

η_EQE = η_CIE × η_IQE × η_LEE (2)

Des Weiteren lässt sich η_IQE gemäß dem ABC-Modell [43] ausdrücken als:

η_IQE = R_rad / (R_rad + R_SRH + R_Auger) (3)

wobei R_rad die radiative Rekombinationsrate, R_SRH die SRH-nicht-radiative Rekombinationsrate und R_Auger die Auger-Rekombinationsrate ist. Abbildung 1 zeigt die verschiedenen Effizienzarten und die zugehörigen physikalischen Mechanismen und Faktoren.

R_rad und CIE müssen maximiert, elektrische Effizienz und LEE verbessert, SRH- und Auger-Rekombination reduziert werden, um die Gesamteffizienz von Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte zu steigern. Systemische Ansätze sind erforderlich, um all diese Herausforderungen zu adressieren. Abgesehen von Lichtextraktion werden diese Herausforderungen in den folgenden Abschnitten diskutiert, und potenzielle Lösungen für effiziente epitaktische Micro-LED-Strukturen vorgeschlagen.

QCSE bei niedriger Stromdichte: Internes Polarisationsfeld

Der polarisationsinduzierte QCSE ist einer der dominierenden Faktoren, die die IQE von Nitrid-LEDs limitieren [44]. QCSE wurde für traditionelle große Hochleistungs-LEDs breit untersucht, aber im Kontext spezifischer Micro-LED-Anwendungen noch unzureichend diskutiert. Daher wird dieser wichtige Effekt zuerst untersucht. Der hier diskutierte aktive Micro-LED-Bereich besteht aus 5 QW-Perioden, der häufigsten QW-Zahl für traditionelle Nitrid-LEDs.

Abbildung 2a zeigt die Energiediagramme und die zugehörigen ersten Elektronen- und Lochwellenfunktionen des fünften QW bei 200 und 0,1 A/cm². QB und QW erfahren starke Bandbiegung, was zur räumlichen Trennung von Elektronen- und Lochwellenfunktionen führt. Zudem ist die Bandbiegung bei niedriger Stromdichte stärker, was auf einen stärkeren QCSE hinweist. Dieses Phänomen wird dem schwachen Abschirmeffekt mit weniger Nicht-Gleichgewichts-Ladungsträgern bei niedriger Injektionsstromdichte zugeschrieben (siehe Zusatzdatei 1: Abb. S1a-d und zugehörige Diskussion) [41]. Abbildung 2b zeigt, dass ein stärkerer QCSE die räumliche Trennung der Ladungsträgerwellenfunktionen bei niedriger Stromdichte verstärkt, was zu niedrigerer radiativer Rekombinationsrate führt. Die radiativen Rekombinationsraten und EL-Spektren ohne und mit Polarisations-effekt (d. h. ohne und mit QCSE) werden weiter berechnet, um zu zeigen, wie die Elektron-Loch-Trennung die Emission bei niedriger Stromdichte quantitativ reduziert. Abb. 2c, d zeigen, dass die Integralintensität der radiativen Rekombinationsrate und EL-Intensität durch QCSE um ca. 84,0 % bzw. 72,3 % reduziert werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es schwieriger ist, die Effizienz für Micro-LEDs als für ihre traditionellen Hochleistungs-Pendants zu verbessern, aufgrund des verstärkten QCSE bei niedriger Stromdichte.

a Energiediagramme und zugehörige erste Elektronen- und Lochwellenfunktionen des 5. QW bei 200 und 0,1 A/cm². b Trennungsdistanz der Spitzenpositionen von Elektronen- und Lochwellenfunktionen bei 200 und 0,1 A/cm². c Radiative Rekombinationsraten und d EL-Spektren berechnet bei 0,1 A/cm² ohne und mit Polarisation. e Farbpunkte aus blauen, grünen und roten LEDs mit Stromdichte 0,1 bis 20 A/cm² im 1931-CIE (x, y) Chromatizitätsdiagramm.

Zudem ist die präzise und stabile Kontrolle der Emissionswellenlänge bei verschiedenen Injektionsstromdichten kritisch für Micro-LED-Displays, da sie wichtige Parameter wie Helligkeit, Farbgenauigkeit und Sättigung bestimmt. Ein stärkerer QCSE bei niedriger Stromdichte macht dies jedoch zur großen Herausforderung, besonders für grüne und rote Micro-LEDs, die höhere Indium-Zusammensetzung erfordern. Als direktes Resultat der verstärkten Bandbiegung in InGaN-QWs mit höherer Indium-Zusammensetzung und stärkerem QCSE wird der Wellenlängenversatz versus Stromdichte durch den Abschirmeffekt stärker ausgeprägt. Die EL-Spektren von InGaN-basierten roten, grünen und blauen Micro-LEDs mit verschiedenen Stromdichten werden weiter berechnet, um zu zeigen, wie der Spektralversatz die Farbpunkte im Display beeinflusst. Zusatzdatei 1: Abb. S2 zeigt, dass von 0,1 bis 20 A/cm² die Spitzenwellenlängen um ca. 15,8, 6,6 und 1,7 nm für rote, grüne und blaue Micro-LEDs blauverschieben. Die durch Kombination der roten, grünen und blauen Micro-LEDs erzeugten Farbpunkte werden berechnet (Zusatzdatei 1: Tabelle S1). Abb. 2e illustriert das zugehörige 1931-CIE (x, y) Chromatizitätsdiagramm. Deutlich ändert sich die Farbe der Emission von RGB-Micro-LEDs stark von Grün zu Blau-Grün bei Stromdichteerhöhung. Der 1931-CIE x-Wert wechselt von 0,1676 zu 0,2084, der y-Wert von 0,3891 zu 0,3106. Diese substanzielle Farbpunktänderung versus Stromdichte verschlechtert die Micro-LED-Display-Leistung erheblich.

Viele Berichte schlugen Ansätze zur QCSE-Unterdrückung vor, wie InGaN/AlGaN-ultradünne Superlattice-Barrieren [45], InGaN/GaN/AlGaN/GaN-MQWs mit GaN-Zwischenbarriere [46], gefaltete MQWs [47] und Einfügen einer Spannungsentlastungslage vor MQWs [48]. Da QCSE jedoch durch intrinsische Eigenschaften von c-Ebenen-Nitrid-Material induziert ist, reichen einige MQW-Anpassungen nicht aus, um diesen Effekt vollständig zu unterdrücken. Kürzlich wurde für nicht-polare Nitrid-LEDs anständige Effizienz erreicht. Wenn die Kosten nicht-polarer GaN-Substrate gesenkt werden können, können nicht-polaren LEDs eine ideale Lösung zur QCSE-Reduktion und Realisierung stabiler Vollfarbemission sein [49].

Ladungsträgertransport und -anpassung

Die Elektronen- (J_n) und Loch- (J_p) Stromdichten lassen sich ausdrücken als:

J_n = σ_n |E| = n q μ_n |E| (4)

J_p = σ_p |E| = p q μ_p |E| (5)

wobei σ_n, σ_p die Leitfähigkeiten, n, p die Konzentrationen, μ_n, μ_p die Mobilitäten für Elektronen und Löcher bezeichnen, und E das elektrische Feld ist. In Nitriden ist die Lochkonzentration eine Größenordnung niedriger als die Elektronenkonzentration [50], und die Lochbeweglichkeit zwei Größenordnungen niedriger als die Elektronenbeweglichkeit [51]. Diese Asymmetrie von Konzentration und Mobilität führt zu Fehlanpassung der Ladungsträgerflüsse (J_n > J_p) und verschlechtert die LED-Leistung in zwei Hinsichten.

Strominjektionseffizienz: Die Strominjektionseffizienz η_CIE stellt das Verhältnis des Rekombinationsstroms J_recomb zum Gesamtstrom J_total dar [52]:

η_CIE = J_recomb / J_total = (J_n-recomb + J_p-recomb) / (J_n + J_p) = 2 × J_p / (J_n + J_p) (6)

J_recomb hängt vom kleineren der beiden Ladungsträgerströme ab, also dem Lochstrom. Gleichung (6) bestätigt, dass die Ladungsträger-Fehlanpassung (J_n > J_p) die Maximierung der CIE limitiert.

Radiative Rekombinationsrate: Die radiative Rekombinationsrate R_rad wird durch Fermis Goldene Regel beschrieben als:

R_rad = C × ∫ dE_cv h ν_cv |M_T(E_cv)|² ρ_r(E_cv) f_v(1 - f_c) (7)

wobei C eine Konstante, E_cv die Übergangsenergie, h das Plancksche Wirkungsquantum, ν_cv die Frequenz des erzeugten Lichts, ρ_r die reduzierte Zustandsdichte, f_c und f_v die Fermi-Dirac-Verteilungen und |M_T|² das Impuls-Matrixelement ist [53]. Weniger Löcher und zusätzliche Elektronenakkumulation im QW können zu Gitterexpansion und Zugspannungsaufbau führen. Unter dieser Spannungsvariation werden die Ladungsdichten der Quantenniveaus um das Valenzbandmaximum reduziert. Dies verringert die optische Übergangs-Wahrscheinlichkeit und reduziert R_rad gemäß Gl. (7). Auf diese Weise limitiert auch die lokale Ladungsträger-Fehlanpassung in einem einzelnen QW die IQE. Spezifischere Diskussion findet sich in früheren Berichten [54-56].

In den folgenden Abschnitten werden Einflüsse von QW-Anzahl, p-Typ-Dotierungskonzentration und EBL-Struktur auf Ladungsträgertransport analysiert, um beste Ladungsträgeranpassungsbedingungen zu bestimmen. Schließlich wird eine optimierte epitaktische Struktur für effiziente Micro-LED-Displays bei niedriger Stromdichte vorgeschlagen.

Ladungsträger-Fehlanpassung in 5 QWs

Zunächst werden die Ladungstransporteigenschaften blauer Micro-LEDs mit 5 QWs simuliert. Die Verteilungen der Ladungsträgerkonzentration bei 200 A/cm² und 0,1 A/cm² sind in Zusatzdatei 1: Abb. S3a, b dargestellt. Eine inhomogene Verteilung in 5 QWs ist sowohl bei hoher als auch niedriger Stromdichte beobachtbar. Zusatzdatei 1: Abb. S3c, d zeigen, dass die Elektronenbeweglichkeit in MQWs (684 cm²V⁻¹s⁻¹) zwei Größenordnungen höher ist als die Lochbeweglichkeit (10 cm²V⁻¹s⁻¹). Daher können Elektronen in die MQWs injiziert werden und diese durchlaufen, ohne an Rekombination teilzunehmen, was zum Elektronenleckageproblem und niedriger CIE führt [51].

Abbildung 3a zeigt die Verteilung der Elektronen- und Lochstromdichte bei 200 A/cm². Der gesamte Lochstrom (217,4 A/cm²) beträgt nur 65,2 % des Elektronenstroms (333,3 A/cm²), was eine schwere Ladungsträger-Fehlanpassung und niedrige CIE anzeigt. Der Leckelektronenstrom beträgt 116,0 A/cm², was sowohl radiative Effizienz als auch Lochinjektion verschlechtert. Abb. 3b zeigt, dass der Leckelektronenstrom nur 0,01 A/cm² beträgt und die berechnete η_CIE bei 0,1 A/cm² 95 % erreicht. Dies deutet darauf hin, dass hohe CIE bei niedriger Stromdichte leichter erreichbar ist. Außer im 5. QW, wo J_p gleich J_n sein kann, sind Ladungsträger-Fehlanpassung und zusätzliche Elektronenakkumulation in den anderen vier QWs (QW 1–4) sowohl bei hoher als auch niedriger Stromdichte recht stark. Bei 200 A/cm² sind die Elektronenstromdichten dieser vier QWs 120-, 43-, 16- und 5-fach höher als die Lochstromdichte (Abb. 3a). Bei 0,1 A/cm² betragen die Verhältnisse 23, 9, 4 und 2 (Abb. 3b). Basierend auf Gl. (7) verringert diese starke Fehlanpassung die radiative Rekombinationsrate dieser vier QWs evident. Daher betragen die radiativen Rekombinationsraten in diesen vier QWs nur ca. 3,4 %, 4,0 %, 10,1 % und 34,2 % bei 200 A/cm² und 11,3 %, 10,1 %, 10,7 % und 21,2 % bei 0,1 A/cm² im Vergleich zum 5. QW. Diese Fehlanpassung und niedrige radiative Emission reduzieren letztendlich die monolithische Effizienz der Micro-LED.

Ladungsträgerstromverteilung der LED mit 5 QWs a bei 200 A/cm² und b bei 0,1 A/cm². Radiative Rekombinationsraten der LED mit 5 QWs c bei 200 A/cm² und d bei 0,1 A/cm².

Faktoren, die Ladungsträgertransport und -anpassung beeinflussen

QW-Anzahl: Für traditionelle große LEDs bei hoher Stromdichte müssen MQWs mit 5, sogar 8 oder 10 Perioden verwendet werden, um hohe optische Ausgangsleistung zu erreichen. Für Micro-LED-emissive Displays ist die Ausgangsleistung jedoch viel geringer und die Arbeitsstromdichte viel niedriger. Wie im vorherigen Abschnitt diskutiert, bleibt die Ladungsträger-Fehlanpassung selbst bei niedriger Stromdichte in 5 QWs stark, und nur ein QW erreicht die beste Anpassungsbedingung. Aus dieser Perspektive sollte für Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte ein aktiver Bereich mit weniger QWs ein besseres Design zur Effizienzsteigerung sein aufgrund verbesserter Ladungsträgeranpassung.

Der Effekt der QW-Anzahl auf die Micro-LED wird untersucht, um diese Annahme zu verifizieren. Abb. 4a–f zeigen Ladungsträgerstromdichte und radiative Rekombinationsrate bei 0,1 A/cm² für LEDs mit 3, 2 und 1 QW. Die Stromkurven haben nur einen Schnittpunkt (einen Punkt bester Ladungsträgeranpassung, J_n = J_p) aufgrund der monoton fallenden Tendenz, aber bei weniger QWs, wie bei 3 und 2 QWs, können zwei Schnittpunkte in zwei verschiedenen QWs erreicht werden (Abb. 4a, b). Mit anderen Worten: Die Ladungsträger-Fehlanpassung in MQWs kann mit weniger QWs teilweise überwunden werden. Besonders bei 2 QWs kann mit 적절한 Anpassung perfekte Ladungsträgerfluss-Anpassung in beiden QWs erreicht werden. Die radiative Rekombinationsrate ist in 2 QWs höher als in 3 und 5 QWs, da die Ladungsträgerverbrauch durch radiative Rekombination im aktiven Bereich mit weniger QWs konzentrierter ist (Abb. 3d, 4d, e). Zweifellos ist die beste Ladungsträgeranpassung in der LED mit nur 1 QW, und die radiative Rekombinationsrate ist auch für 1 QW am höchsten (Abb. 4c, f).

Ladungsträgerstromverteilung der LED mit a 3 QWs, b 2 QWs, c 1 QW bei 0,1 A/cm². Radiative Rekombinationsraten der LED mit d 3 QWs, e 2 QWs, f 1 QW bei 0,1 A/cm².

Abbildung 5a, b zeigen IQE als Funktion der Stromdichte zwischen 0–200 A/cm² bzw. 0–10 A/cm². Für Stromdichten > 50 A/cm² sinkt IQE bei Reduktion der QW-Anzahl. Im Gegensatz dazu steigt IQE bei Stromdichten < ca. 30 A/cm² bei QW-Reduktion. Bei 0,1 A/cm² betragen IQE-Werte für 8, 5, 3, 2 und 1 QW 55 %, 62 %, 69 %, 77 % und 78 %. Zudem verschiebt sich die Position der Gipfel-IQE von 6,0 A/cm² bei 8 QWs auf die niedrigste Stromdichte ca. 1,2 A/cm² bei 2 QWs (Abb. 5b). Die IQE-Kurven bei niedriger Stromdichte (< 1 A/cm²) werden mit geringerer QW-Anzahl steiler und schärfer, was bedeutet, dass höchste Effizienz leichter und schneller erreicht wird. Dies ist sehr vorteilhaft für Effizienzsteigerung bei niedriger Stromdichte. Der physikalische Mechanismus hinter diesem IQE-Trend lässt sich durch bessere Ladungsträgerfluss-Anpassung und konzentriertere, stärkere radiative Emission im aktiven Bereich mit weniger QWs erklären. Wie Abb. 5c zeigt, sind im Vergleich zu 8 QWs die integrierten EL-Intensitäten von 5, 3, 2 und 1 QWs bei 0,1 A/cm² um ca. 6,1 %, 14,8 %, 28,4 % und 32,1 % erhöht. Dies bestätigt, dass nicht nur Effizienz, sondern auch Ausgangsleistung mit weniger QWs verbessert wird.

a IQE-Kurven und b IQE-Kurven bei niedriger Stromdichte für LED mit 8, 5, 3, 2, 1 QWs. c EL-Spektren der LED mit 8, 5, 3, 2, 1 QWs bei 0,1 A/cm².

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass 1 QW die höchste EL-Intensität hat und möglicherweise die beste Struktur für Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte ist. Experimentell ist es jedoch schwierig, nur ein QW mit flacher Oberfläche und scharfer Grenzfläche epitaktisch zu wachsen. Zudem verschiebt sich bei 1 QW die Gipfel-IQE-Position leicht auf 2,9 A/cm², und die IQE-Kurvenform ändert sich leicht. Dies erklärt sich durch die besondere Situation des einzelnen QWs. Im Vergleich zu anderen QWs hat der an die EBL angrenzende QW eine spezielle Polarisierungsumgebung und wird als „Problem-QW“ betrachtet. Dieses Thema wird im Abschnitt AlGaN EBL detaillierter diskutiert. Aus diesen Gründen sollten 2 QWs das beste aktive Bereichsdesign sein, da sie ähnliche gute Ladungsträgerfluss-Anpassung, nahe IQE-Werte und EL-Intensität wie 1 QW aufweisen. Daher basieren alle folgenden Simulationen auf Micro-LEDs mit 2 QWs.

P-GaN-Dotierungskonzentration: Die Leistung von 2-QW-LEDs mit verschiedenen p-Typ-Dotierungskonzentrationen in p-GaN wird weiter untersucht. Abb. 6a zeigt, dass bei Erhöhung der p-GaN-Dotierung von 1 × 10¹⁸ auf 5 × 10¹⁹ cm⁻³ die radiativen Rekombinationsraten bei 0,1 A/cm² für die beiden QWs um ca. 3,1 % und 3,0 % weiter steigen. Abb. 6b zeigt, dass die gesamte Lochstromdichte von 0,157 auf 0,162 A/cm² steigt, während der Leckelektronenstrom von 0,009 auf 0,005 A/cm² sinkt. Bemerkenswert ist, dass der Rekombinationsstrom im QW nahe der n-Seite höher ist als im QW nahe der p-Seite (Abb. 6b). Daher ist die radiative Rekombinationsrate im n-seitigen QW auch leicht höher als im p-seitigen QW. Abb. 6c zeigt, dass die Energiebarriere für Ladungsträger in der EBL – definiert als Energiedistanz zwischen Elektronen-/Loch-Quasi-Fermi-Niveau und höchstem Leitungsband bzw. tiefstem Valenzband – unter verschiedenen p-GaN-Dotierungskonzentrationen nahezu unverändert bleibt, d. h. die Lochinjektion wird durch Erhöhung der Dotierung nicht verbessert. Abb. 6d zeigt die durchschnittliche Lochkonzentration in p-GaN und QWs. Die Lochkonzentration in p-GaN hängt fast exponentiell von der Dotierungskonzentration ab. In den QWs verdoppelt sich die Lochkonzentration etwa von 1,59 × 10¹⁹ auf 3,08 × 10¹⁹ cm⁻³ bei höherer Dotierung. Diese Ergebnisse zeigen, dass die erhöhte Lochkonzentration der Hauptbeitrag zur Verbesserung der radiativen Rekombination ist. Daher bleibt das p-Typ-Dotierungsproblem von Nitriden auch bei niedriger Stromdichte bedeutsam, und die Steigerung der Dotierungseffizienz und Lochkonzentration ist weiterhin vorteilhaft für Micro-LED-Effizienz.

a Radiative Rekombinationsraten von 2-QW-LEDs mit verschiedenen p-GaN-Dotierungskonzentrationen. b Ladungsträgerstromverteilung mit verschiedenen p-GaN-Dotierungen. c Vergrößerte Energiediagramme der EBL mit verschiedenen p-GaN-Dotierungen. d Durchschnittliche Lochkonzentration in p-GaN und QWs mit verschiedenen p-GaN-Dotierungen.

AlGaN EBL: In den letzten Jahrzehnten wurde eine 10–20 nm p-Typ AlGaN EBL zur Standardstruktur für traditionelle nitridbasierte LEDs. Diese EBL soll Elektronenleckage blockieren und Efficiency Droop bei hoher Injektionsstromdichte unterdrücken. Es ist jedoch zu beachten, dass die EBL eine sehr komplexe, subtile Struktur für LEDs bleibt. Sie involviert viele wichtige Faktoren: Al-Zusammensetzung, p-Typ-Dotierungseffizienz von AlGaN, Bandversatzverhältnisse und Polarisationseffekt. Jeder kann Bandstruktur und Ladungsträgertransport erheblich beeinflussen und die EBL-Wirksamkeit bestimmen. Für den EBL-Aufbau müssen Dicke, Zusammensetzung und Dotierungskonzentration sorgfältig berücksichtigt und optimiert werden, um Elektroneneinschluss-Verbesserung und Lochinjektions-Blockade auszubalancieren, sonst kann das Gegenteil eintreten und die LED-Leistung verschlechtern. Für Micro-LEDs muss die EBL-Wirksamkeit bei niedriger Stromdichte neu bewertet werden, was sich vom Fall traditioneller Hochleistungs-LEDs unterscheiden kann.

a. Dotierungskonzentration der EBL: Zunächst wird der Effekt der EBL-Dotierungskonzentration auf Ladungsträgertransport bei niedriger Stromdichte untersucht. Dicke und Al-Zusammensetzung der EBL sind auf 20 nm bzw. 0,15 fixiert. Angesichts der niedrigen Mg-Löslichkeit in AlGaN, Kristalldegradation und Kompensationseffekt durch Überdotierung [50] wird die EBL-Dotierungskonzentration zunächst auf 3 × 10¹⁸ cm⁻³ gesetzt. Abb. 7a zeigt das zugehörige Energiediagramm. Deutlich kann trotz EBL Elektronenleckage aus dem QW durch unzureichenden Elektroneneinschluss aufgrund der abwärts gerichteten Biegung des letzten QW und der EBL verursacht werden. Ein neues Energietal unter dem Elektronen-Quasi-Fermi-Niveau erscheint an der Grenzfläche des letzten QB und der EBL. Daher würden Elektronen aus dem QW entweichen und sich in diesem Bereich ansammeln. Diese Bandstrukturverzerrung macht die EBL relativ ineffektiv und kann auf den Polarisationseffekt zurückgeführt werden. Abb. 7c zeigt, dass die starke Polarisation große Ladungsmengen an den Grenzflächen induziert. Aufgrund unausgeglichener positiver Polarisationsladungen an der Grenzfläche des letzten QB/EBL baut sich ein großes elektrostatisches Feld von der p-Seite zur n-Seite im letzten QB auf, entgegengesetzt zu den Feldern in anderen QBs und der EBL. Diese Felder ziehen das Energieband des letzten QB und der EBL nach unten. Zudem können die elektrischen Felder im letzten QW und letzten QB Elektronen anziehen und aus dem aktiven Bereich in die p-Lage treiben. Dies ist im Ladungsträgerkonzentrationsdiagramm beobachtbar (Abb. 7d). Die gepunktete schwarze Linie zeigt, dass ein Teil der Elektronen aus dem aktiven Bereich entweicht und sich an der Grenzfläche des letzten QB/EBL ansammelt. In EBL und p-GaN bleibt der Leckelektronenstrom relativ hoch.

Energiediagramme von 2-QW-LEDs mit a 3 × 10¹⁸ cm⁻³ und b 6 × 10¹⁹ cm⁻³ Dotierungskonzentration in AlGaN EBL. c Raumladungsdichte und d Ladungsträgerkonzentrationsverteilung von 2-QW-LEDs mit 3 × 10¹⁸ und 6 × 10¹⁹ cm⁻³ EBL-Dotierung. Das Inset von c zeigt die Richtung der Polarisationfelder.

Andererseits führt die EBL auch eine potenzielle Barriere von bis zu 480 meV für Lochinjektion ein. Zudem erscheint, wie in Abb. 7a, c gezeigt, ein Energietal nahe dem Loch-Quasi-Fermi-Niveau an der Grenzfläche EBL/p-GaN aufgrund des Polarisationseffekts. Wie durch die durchgezogene schwarze Linie in Abb. 7d angezeigt, werden die meisten Löcher durch die EBL blockiert und akkumulieren im Energietal der EBL/p-GaN-Grenzfläche. Aufgrund dieses ineffizienten Ladungsträgertransports wird der letzte QW als „Problem-QW“ betrachtet, und die EBL hat nur geringe Fähigkeit zum Elektroneneinschluss und ist für die schlechte Lochinjektion verantwortlich. Im Vergleich zu traditionellen Hochleistungs-LEDs könnte diese polarisationsinduzierte Ineffektivität der EBL-Funktion für Micro-LEDs aufgrund des verstärkten Polarisationseffekts durch geringere Ladungsträgerabschirmung bei niedriger Stromdichte besonders stark ausgeprägt sein.

Band-Engineering durch Erhöhung der EBL-Dotierungskonzentration ist eine mögliche Methode zur Verbesserung von Elektroneneinschluss und Lochinjektion. Die Aktivierungsenergie von Mg-Dotierern in AlGaN EBL ist höher als in GaN, daher bleibt die aktive Lochkonzentration in der EBL selbst bei ähnlicher Dotierungskonzentration weit niedriger als in p-GaN. Die niedrigere Lochkonzentration könnte das Loch-Quasi-Fermi-Niveau weiter vom Valenzband trennen und die Barrierehöhe erhöhen. Basierend auf dieser Analyse muss die EBL-Dotierungskonzentration viel höher sein als p-GaN. Angesichts der Dotierungslimitation im Experiment wird 6 × 10¹⁹ cm⁻³ als neue EBL-Dotierungskonzentration gewählt. Abb. 7b zeigt, dass durch Erhöhung der Dotierung das Valenzband der EBL durch Ausrichtung des Loch-Quasi-Fermi-Niveaus angehoben wird, was die Lochenergiebarriere auf 281 meV reduziert. Zudem hilft die hohe p-Typ-Dotierung, das Elektronen-Quasi-Fermi-Niveau relativ zum Leitungsband in der EBL zu senken, was die effektive Barriere für Elektronenleckage auf 1175 meV erhöht. Diese Änderungen verbessern Elektroneneinschluss und Lochinjektion. Abb. 7d zeigt, dass im Vergleich zur Dotierung von 3 × 10¹⁸ cm⁻³ die Lochkonzentration im aktiven Bereich stark zunimmt und der Leckelektronenstrom in EBL und p-GaN fast auf null sinkt. Das Energietal an der EBL/p-GaN-Grenzfläche besteht jedoch fort. Zudem führt die Anhebung des Valenzbands zu einem neuen Energietal für Lochakkumulation an der Grenzfläche letztes QB/EBL, was durch die Lochkonzentrationsverteilung in Abb. 7d bestätigt wird. Diese Energietäler können die Lochinjektion in QWs behindern und somit den Vorteil der hohen Dotierung kompensieren.

b. Al-Zusammensetzung der EBL: Im Vergleich zur Dotierungserhöhung könnte die Reduzierung der AlGaN-EBL-Zusammensetzung eine einfachere, effizientere Methode zur Verbesserung des Ladungsträgertransports bei niedriger Stromdichte sein. Die EBL-Wirksamkeit hängt empfindlich von Al-Zusammensetzung, Bandversatz und Polarisationseffekt ab. Erhöhung der Al-Zusammensetzung erhöht den Bandversatz zwischen letztem QB/EBL, was die Elektronenbarrierehöhe erhöht. Wie in Abb. 8a gezeigt, nehmen jedoch die polarisationsinduzierten Ladungen an den Grenzflächen entsprechend zu, was die Elektronenbarrierehöhe wieder nach unten zieht. Zwei Mechanismen haben entgegengesetzte Wirkung auf den Elektroneneinschluss.

a Raumladungsdichteverteilung von 2-QW-LEDs mit verschiedenen EBLs. Inset zeigt Polarisationfeldrichtung. Energiediagramme von 2-QW-LEDs b mit Al_0.1Ga_0.9N EBL und c ohne EBL. d Ladungsträgerkonzentrationsverteilung, e Ladungsträgerstromdichte, f IQE und g EL-Spektren von 2-QW-LEDs mit verschiedenen EBLs. Inset von g zeigt Betriebsspannungen bei 0,1 und 1 A/cm² mit verschiedenen EBLs.

Basierend auf dieser Analyse wird der Ladungsträgertransport von 2-QW-Micro-LEDs mit verschiedenen EBL-Strukturen bei 200 und 0,1 A/cm² untersucht. Die effektiven Energiebarrierehöhen verschiedener EBLs sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Erstens sind sowohl Elektronen- als auch Lochenergiebarrieren bei niedriger Stromdichte viel höher als bei hoher Stromdichte aufgrund der geringeren Nicht-Gleichgewichts-Ladungsträgerpopulation. Eine höhere Energiebarriere kann den Elektroneneinschluss verbessern, behindert aber auch die Lochinjektion bei niedriger Stromdichte stark. Dies zeigt, dass der Einfluss der EBL auf den Ladungsträgertransport von Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte viel größer ist als bei traditionellen Hochleistungs-LEDs. Tabelle 1 zeigt auch, dass bei relativ niedriger Al-Zusammensetzung in der EBL die Elektronenbarriere mit steigender Al-Zusammensetzung abnimmt, was anzeigt, dass die Absenkung des Leitungsbands durch Polarisationseffekt größer ist als der durch höhere Al-Zusammensetzung eingeführte Bandversatzanstieg. Durch weiteres Erhöhen der Zusammensetzung steigt die Elektronenbarriere mit der Zusammensetzung, was bedeutet, dass der Bandversatz dominant über den Polarisationseffekt wird. Im Vergleich zu hoher Stromdichte ist dieser Wendepunkt der Zusammensetzung bei niedriger Stromdichte höher aufgrund des verstärkten Polarisationseffekts durch geringere Ladungsträgerabschirmung. Andererseits existieren aufgrund des ursprünglichen Bandversatzes zwischen letztem QB/p-GaN und Bandbiegung Energiesbarrieren für Elektronen und Löcher an der Grenzfläche sogar ohne EBL. Bei 200 A/cm² ist die Elektronenenergiebarriere bei Zusammensetzung < 0,20 niedriger als ohne EBL, aber die Lochbarriere ist um ca. 64 meV höher. Bei 0,1 A/cm² ist selbst bei Zusammensetzung > 0,20 die Elektronenbarriere der AlGaN-EBL (523 meV) noch 151 meV niedriger als ohne EBL (674 meV), aber die Lochbarriere steigt um ca. 76 meV von 409 auf 485 meV. Diese Ergebnisse zeigen, dass sowohl Elektroneneinschluss als auch Lochinjektion durch EBL mit inkorrekter Zusammensetzung verschlechtert werden können, besonders für Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte.

Für eine tiefere Analyse werden Bandstrukturen von Micro-LEDs mit Al_0.10Ga_0.90N EBL und ohne EBL als Repräsentanten in Abb. 8b, c illustriert. Die EBL führt zwei Energietäler an der Grenzfläche letztes QB/EBL und EBL/p-GaN für Elektronen- bzw. Lochakkumulation ein, was im Ladungskonzentrationsdiagramm Abb. 8d bestätigt wird. Daher sind Elektroneneinschluss und Lochinjektion für diese Struktur schlecht. Wenn die EBL entfernt wird (Abb. 8c), steigt die Energiebarriere für Elektronen, und das Energietal für Elektronenextraktion und -akkumulation verschwindet. Diese Änderungen verhindern Elektronenleckage effektiver, bestätigt in Abb. 8d. Gleichzeitig wird die Barrierehöhe für Lochinjektion reduziert, und das Energietal an der EBL/p-GaN-Grenzfläche wird ebenfalls entfernt. So können Löcher direkt in den QW transportiert werden, ohne großes Hindernis, wie in Abb. 8c, d gezeigt.

Die obige sorgfältige Untersuchung legt nahe, dass eine EBL-freie Struktur für Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte besser sein könnte. Simulationsergebnisse unterstützen diesen Vorschlag. Abb. 8e illustriert die Ladungsträgerstromdichte bei 0,1 A/cm² mit verschiedenen EBL-Strukturen. Wenn die Al-Zusammensetzung der EBL von 0,15 auf 0,04 reduziert wird, steigen die gesamten Elektronen- und Lochstromdichten von 0,167 und 0,159 A/cm² auf 0,225 und 0,225 A/cm². Bei vollständiger Entfernung der EBL steigen beide gesamten Elektronen- und Lochstromdichten stark auf 0,528 A/cm², was ca. 3-fach höher ist im Vergleich zur Al_0.15Ga_0.85N EBL. Diese Steigerung ist auf verbesserten Elektroneneinschluss und Lochinjektion zurückzuführen.

Abb. 8f zeigt die IQE-Kurven bei niedriger Stromdichte. Bei Reduzierung der Al-Zusammensetzung von 0,15 auf 0,04 steigen die IQE-Werte evident aufgrund verbesserten Ladungsträgertransports. Durch Entfernen der EBL erfährt der IQE-Wert jedoch einen leichten Rückgang im Vergleich zur Al_0.04Ga_0.96N EBL. Dies erklärt sich durch die Ladungsträgeranpassung in zwei QWs. Wie durch grüne Pfeile in Abb. 8e angezeigt, trat perfekte Ladungsträgeranpassung in beiden QWs mit Al_0.04Ga_0.96N EBL auf. Durch Stromdichteerhöhung beim Entfernen der EBL wurde die Anpassung von Elektronen- und Lochfluss im ersten QW leicht gebrochen, wo Elektronenstromdichte leicht höher als Lochstromdichte ist. Daher wird IQE leicht durch diese Fehlanpassung in einem QW reduziert.

Die Überlegenheit der EBL-freien Micro-LED ist dennoch bemerkenswert aufgrund verbesserten Ladungsträgertransports. Abb. 8g zeigt, dass bei 0,1 A/cm² die integrierten EL-Intensitäten der EBL-freien Micro-LED 3,53-, 3,23- und 2,38-fach höher sind im Vergleich zu LEDs mit Al_0.15Ga_0.85N, Al_0.10Ga_0.90N und Al_0.04Ga_0.96N EBL. Zudem zeigt das Inset von Abb. 8g, dass die Betriebsspannungen bei 1 A/cm² und 0,1 A/cm² durch Entfernen der EBL um ca. 0,53 V bzw. 0,57 V reduziert werden. Dies verbessert die elektrische Effizienz und erhöht schließlich die WPE der Micro-LED. Um weiter zu bestätigen, dass die EBL-freie Struktur ein besseres Design für Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte ist, wird eine weitere Simulation mit der berichteten blauen Micro-LED-Struktur maximaler bekannter Effizienz durchgeführt. Ergebnisse und Diskussion finden sich im Supporting Material (Zusatzdatei 1: Abb. S4a-d).

Optimierte Struktur für Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte

Basierend auf obigen Simulationen und Analysen wird die optimierte epitaktische Struktur speziell für effiziente Micro-LED-emissive Displays bei niedriger Stromdichte vorgeschlagen (Abb. 9). Drei Prinzipien müssen befolgt werden. Erstens, im Gegensatz zu traditionellen großen Hochleistungs-Nitrid-LEDs sollte die QW-Anzahl der Micro-LED auf nur zwei reduziert werden, was bessere Bedingungen für Ladungsträgeranpassung, konzentriertere radiative Emission und höhere IQE und WPE bietet. Zweitens muss p-Typ-Dotierung aufgrund der relativ niedrigen Lochkonzentration und -beweglichkeit im Vergleich zu Elektronen in Nitriden weiterhin verbessert werden, was eine effizientere p-Typ-Dotierungsstrategie erfordert. Drittens, um Ladungsträgertransport und -anpassung zu verbessern, sollte die Dotierungskonzentration der AlGaN EBL stark erhöht werden, oder die AlGaN EBL kann vollständig entfernt werden. Ohne AlGaN EBL können Elektroneneinschluss, Lochinjektion, Ladungsträgeranpassung, IQE und WPE der Micro-LED bei niedriger Stromdichte stark verbessert werden.

Schematische Illustration der optimierten epitaktischen Struktur speziell für Micro-LED-emissive Displays bei niedriger Stromdichte

Auger-Rekombination und SRH-nicht-radiative Rekombination

Basierend auf Gl. (3) spielen neben radiativer Rekombination auch SRH- und Auger-Rekombination kritische Rollen für die IQE von LEDs. Daher ist es wichtig, Effekte und Mechanismen bezüglich SRH- und Auger-Rekombination für Micro-LEDs zu untersuchen. In diesem Teil wird die LED-Struktur mit 2 QWs weiter verwendet, und alle Simulationsparameter sind wie in den Methoden erwähnt, außer SRH-Lebensdauern.

Vernachlässigbare Auger- und prominente SRH-Rekombination

Die SRH-Rekombinationsrate lässt sich wie folgt ausdrücken [57]:

R_SRH = (np - n_i²) / [τ_p(n + n_i exp(E_T/kT)) + τ_n(p + n_i exp(E_T/kT))] (8)

τ_p = 1/(c_p N_t), τ_n = 1/(c_n N_t) (9)

c_p = σ_p ν_p, c_n = σ_n ν_n (10)

wobei n_i die intrinsische Ladungsträgerkonzentration, τ_p, τ_n die Loch- bzw. Elektron-SRH-Lebensdauern, E_T der Energieunterschied zwischen Fallenniveau und intrinsischem Fermi-Niveau, c_p, c_n die Fangkoeffizienten für Elektronen und Löcher, N_t die Fallendichte, σ_p, σ_n die Fangquerschnitte für Elektronen und Löcher, ν_p, ν_n die durchschnittlichen thermischen Geschwindigkeiten von Elektronen und Löchern sind. Nach Gl. (8)–(10) wird die SRH-Rekombination einer Falle vollständig durch ihre Dichte, Fangquerschnitte und Energieniveau spezifiziert.

Die Auger-Rekombinationsrate ist gegeben durch:

R_Auger = (C_n n + C_p p)(np - n_i²) (11)

wobei C_n, C_p die Auger-Rekombinationskoeffizienten sind.

Da die injizierten Loch- und Elektronenkonzentrationen in undotierten QWs viel höher sind als die intrinsische Ladungsträgerkonzentration (laut Simulationsergebnis beträgt die höchste Ladungsträgerkonzentration im QW ohne extern injizierten Strom nur ca. 10⁷ cm⁻³), können SRH- und Auger-Rekombinationsraten weiter vereinfacht werden als:

R_SRH = np / (τ_p n + τ_n p) (12)

R_Auger = (C_n n + C_p p) np (13)

Gl. (12) und (13) zeigen klar, dass R_SRH proportional zur ersten Potenz der Ladungsträgerkonzentration ist, während R_Auger von der dritten Potenz abhängt. Das heißt, R_SRH ist empfindlich bei niedriger Stromdichte, während R_Auger bei hoher Stromdichte dominanter ist.

Diese theoretische Analyse stimmt mit unseren Simulationsergebnissen überein. Abb. 10a, b zeigen berechnete radiative, SRH- und Auger-Rekombinationsraten bei 200 bzw. 0,1 A/cm². Bei hoher Stromdichte ist die Auger-Rekombinationsrate (ca. 0,8–1,4 × 10²⁹ cm⁻³s⁻¹) vergleichbar mit der radiativen Rate (ca. 4,2–6,0 × 10²⁹ cm⁻³s⁻¹). Tatsächlich wird das wesentliche Problem des Efficiency Droop bei hohen Antriebsströmen mittlerweile allgemein auf Auger-Rekombination zurückgeführt [20]. Bei niedriger Stromdichte sinkt die Auger-Rekombinationsrate dramatisch auf zwei Größenordnungen niedriger (ca. 6,3–7,2 × 10²² cm⁻³s⁻¹) als die radiative Rekombination (ca. 3,7–4,0 × 10²⁴ cm⁻³s⁻¹). Daher sollte Auger-Rekombination bei niedriger Stromdichte vernachlässigbar sein. Umgekehrt steigt die SRH-Rekombinationsrate mit abnehmender Stromdichte relativ von einem kleinen Wert bei 200 A/cm² (zwei Größenordnungen niedriger als radiative Rekombination) auf ein mit radiativer Emission bei 0,1 A/cm² vergleichbares Niveau. Folglich erfordert Micro-LED bei niedriger Stromdichte Verbesserung der SRH- oder Defektrekombination statt Auger-Rekombination.

Radiative, SRH- und Auger-Rekombinationsraten von 2-QW-LEDs a bei 200 A/cm² und b bei 0,1 A/cm². c SRH/Radiative-Verhältnis bei verschiedenen SRH-Lebensdauern bei 200 und 0,1 A/cm². d IQE-Werte bei 200 und 0,1 A/cm², e IQE-Kurven bei großer Stromdichte und f IQE-Kurven bei niedriger Stromdichte bei verschiedenen SRH-Lebensdauern.

Anforderung an niedrige Defektdichte

Nach Gl. (9) sind SRH-Lebensdauern τ_p, τ_n umgekehrt proportional zur Defektdichte N_t. Daher kann der Effekt der Defektdichte durch einfaches Ändern der SRH-Lebensdauer in der Simulation geschätzt werden. Abb. 10c zeigt das berechnete Verhältnis von SRH/radiativer Rekombinationsrate bei verschiedenen SRH-Lebensdauern. Mit Abnahme der SRH-Lebensdauern von 150 auf 50 ns (d. h. Zunahme der Defektdichte) steigt das SRH/radiative-Verhältnis bei 200 A/cm² leicht von 0,01 auf 0,03, aber stark von 0,15 auf 0,43 bei 0,1 A/cm². Das bedeutet, dass ein viel größerer Prozentsatz der Ladungsträger bei niedriger Stromdichte durch Fallendefekte verbraucht wird. Daher ist die Effizienz bei niedriger Stromdichte viel empfindlicher gegenüber Defektdichte als bei hoher Stromdichte. Die IQE-Ergebnisse in Abb. 10d, e bestätigen diesen Trend. Mit Abnahme der SRH-Lebensdauern von 150 auf 50 ns sinkt IQE bei 200 A/cm² nur um ca. 0,01, aber dramatisch um ca. 0,17 bei 0,1 A/cm². Zudem zeigt Abb. 10f, dass mit abnehmender SRH-Lebensdauer die Gipfel-IQE-Position von 3,1 A/cm² auf höhere Stromdichte 9,0 A/cm² wandert, und die IQE-Kurven weniger steil und scharf werden, was bedeutet, dass der Schwellen-/Einsatzstrom erhöht wird. Dies ist nachteilig für Effizienzsteigerung von Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte.

Im Vergleich zu traditionellen großen Hochleistungs-LEDs bei hoher Arbeitsstromdichte ist Micro-LED bei niedriger Stromdichte viel empfindlicher gegenüber Defektdichte, und Minimierung der Defektrekombination ist von höchster Wichtigkeit für hohe Effizienz. Daher erfordert Micro-LED viel höhere Materialkristallqualität als traditionelle LEDs und stellt große Herausforderungen für epitaktisches Materialwachstum und Bauelementfertigung für die Gemeinschaft.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurden die Betriebsverhalten, Mechanismen und Bedingungen von InGaN-Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte numerisch untersucht, und eine optimierte epitaktische Struktur speziell für Micro-LED-Displays vorgeschlagen. Analyse des Polarisations-effekts zeigt, dass Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte einen stärkeren QCSE erleiden. Daher sind Effizienzsteigerung und Emissionsfarbpunkt-Kontrolle schwieriger. Ladungsträgertransport und -anpassung wurden analysiert, um Betriebsbedingungen von Micro-LEDs zu bestimmen. Es zeigt sich, dass weniger QWs die Ladungsträgeranpassung verbessern und zu höherer Effizienz und Ausgangsleistung bei niedriger Stromdichte führen. Die EBL-Wirksamkeit für Micro-LEDs wurde analysiert, und Elektroneneinschluss sowie Lochinjektion werden bei niedriger Stromdichte durch Entfernen der EBL simultan verbessert. Zudem zeigte die Simulation, dass Auger-Rekombination vernachlässigbar, SRH-Rekombination jedoch die Effizienz von Micro-LEDs bei niedriger Stromdichte stark beeinflusst, was höhere Anforderungen an Materialkristallqualität und Fertigungsprozess stellt. Unsere numerische Studie kann wertvolle Leitlinien für effiziente Micro-LED-Displays liefern und zukünftige Forschung in diesem Bereich fördern.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Daten und Analysen der aktuellen Arbeit sind auf angemessene Anfrage bei den korrespondierenden Autoren verfügbar.

Abkürzungen

Micro-LED:

Mikro-Leuchtdiode

QCSE:

Quantum-Confined Stark Effect (Quantenbegrenzter Stark-Effekt)

EBL:

Electron Blocking Layer (Elektronenblockierschicht)

SRH:

Shockley-Read-Hall

LCD:

Flüssigkristall-Display

OLED:

Organische Leuchtdiode

TV:

Fernseher

VR:

Virtual Reality (Virtuelle Realität)

AR:

Augmented Reality (Erweiterte Realität)

QW:

Quantum Well (Quantentopf)

MQWs:

Multiple Quantum Wells (Mehrfach-Quantentöpfe)

EQE:

External Quantum Efficiency (Externe Quanteneffizienz)

IQE:

Internal Quantum Efficiency (Interne Quanteneffizienz)

QB:

Quantum Barrier (Quantenbarriere)

WPE:

Wall-Plug Efficiency (Wandstecker-Effizienz)

CIE:

Current Injection Efficiency (Strominjektionseffizienz)

LEE:

Light Extraction Efficiency (Lichtextraktionseffizienz)