Designs einer InGaN-Mikro-LED-Struktur zur Verbesserung der Quanteneffizienz bei niedriger Stromdichte

Einführung

Gruppe-III-Nitrid-basierte, sichtbares Licht emittierende Dioden (LEDs) haben ein breites Anwendungsspektrum, einschließlich Signale, optische Kommunikation, Informationsspeicherung, Hintergrundbeleuchtung, Displays und allgemeine Beleuchtung (oder Festkörperbeleuchtung) [1, 2]. Seit der ersten Demonstration der InGaN-Mikroscheiben-LED mit einem Durchmesser von 12 μm durch Jiang und seine Mitarbeiter im Jahr 2000 [3, 4] hat die Mikro-LED zunehmendes akademisches und industrielles Interesse auf dem Gebiet hochauflösender Displays gefunden , Kommunikation mit sichtbarem Licht, Biomedizin und Sensorik [5,6,7,8]. Im Vergleich zu Flüssigkristalldisplays (LCD) und organischen Leuchtdioden (OLED) hat Mikro-LED die Vorteile geringer Größe, hoher Auflösung, hoher Lichtausbeute, hoher Helligkeit, hoher Farbsättigung, langer Lebensdauer, hoher Reaktionsgeschwindigkeit, und Robustheit, was es zum vielversprechendsten Kandidaten für die Displaytechnologie der nächsten Generation macht [9, 10]. Anwendungsszenarien von Micro-LED-Displays sind High-End-Fernseher (TV), Laptops, Handheld- und mobile Endgeräte, Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR), transparentes Display usw. Laut Yoles Schätzung wird der Markt für Mikro-LED-Displays bis 2025 330 Millionen Einheiten erreichen [11].

Herkömmliche Anwendungen von Gruppe-III-Nitrid-LEDs, insbesondere Festkörperbeleuchtung, erfordern eine möglichst hohe optische Ausgangsleistung [12]. In den letzten drei Jahrzehnten, motiviert durch Hochleistungsanwendungen, die moderne Forschung für Nitrid-LEDs, einschließlich des Designs und der Optimierung der epitaktischen Struktur, der Untersuchung des Betriebsverhaltens und des physikalischen Mechanismus des Geräts und der Verbesserung der Fertigungstechnologie, konzentriert sich hauptsächlich auf den großen Chip, die hohe Arbeitsstromdichte und die hohe Eingangs-/Ausgangsleistung [12, 13]. In erster Linie hat sich der aktive Bereich von Nitrid-LEDs von der einfachsten Heterostruktur und einzelnen Quantenmulden (QW) in der frühen Phase zu den heutigen Mehrfachquantenmulden (MQWs) mit 5 Perioden QWs entwickelt, und die QW-Zahl kann sogar 8 oder 10 für mehrere erreichen kommerzialisierte Hochleistungsgeräte [14,15,16,17]. Die EBL wurde vorgeschlagen, um den Austritt von Elektronen bei hoher Injektionsstromdichte zu blockieren, obwohl sie auch die Lochinjektion auf einem bestimmten Niveau behindern kann [18, 19]. Bei herkömmlichen Hochleistungs-LEDs ist das wesentlichste Thema die Reduzierung der externen Quanteneffizienz (EQE) mit der erhöhten Stromdichte, die als Effizienz-Droop bekannt ist. Der intrinsische Mechanismus dieses Verhaltens hängt mit der indirekten Auger-Rekombination bei hoher injizierter Ladungsträgerdichte zusammen [20]. Was die Herstellung angeht, werden Dünnfilm-Flip-Chip- und vertikale Injektionsgeometrien entwickelt, um das Leistungsniveau von Nitrid-LEDs zu erhöhen [21, 22].

Bei den traditionellen großformatigen Hochleistungs-Nitrid-LEDs wurden erhebliche Fortschritte erzielt, und einige der gewonnenen Erkenntnisse können für das Studium von Mikro-LEDs genutzt werden. Mikro-LEDs unterscheiden sich jedoch immer noch deutlich von ihren Hochleistungs-Pendants. Aus den unterschiedlichen Betriebsverhalten, Mechanismen und Bedingungen von Mikro-LED können sich unterschiedliche Herausforderungen und Forschungspfade ergeben [23, 24]. Bei herkömmlichen LEDs liegt der Spitzen-EQE bei hoher Stromdichte und die Arbeitsstromdichte ist hoch und liegt über der Spitzeneffizienz (> 30 A cm ⁻² ). Aber für das emittierende Mikro-LED-Display sollte die Arbeitsstromdichte viel niedriger sein und oft im Bereich von 0,02 bis 2 A cm ⁻² . liegen [24]. Bei dieser geringen Stromdichte ist die EQE herkömmlicher Nitrid-LEDs sehr gering und für die praktischen Mikro-LED-Anzeigeanwendungen nicht ausreichend. Durch die Nutzung der Vorteile von V-Pits, um Versetzungen abzuschirmen und die Lochinjektion zu verbessern, haben Zhang und seine Mitarbeiter effiziente InGaN-basierte LEDs mit einem Spitzenwirkungsgrad von bis zu 24,0 % bei 0,8 A/cm ² . entwickelt . Die von Zhang et al. ist immer noch auf die herkömmliche Größe (1 mm × 1 mm) beschränkt, die viel größer ist als die von Mikro-LED [25]. Darüber hinaus haben viele Arbeiten berichtet, dass die interne Quanteneffizienz (IQE) und EQE von Mikro-LEDs abnehmen, wenn die Chipgröße verringert wird [26,27,28]. Diese größenabhängige Degradation wird hauptsächlich der Oberflächenrekombination und den durch das plasmaunterstützte Trockenätzen induzierten Seitenwandschäden zugeschrieben. Diese Seitenwandeffekte tragen zur strahlungslosen Shockley-Read-Hall (SRH)-Rekombination bei, verringern dann die Quanteneffizienz und werden bei einer kleineren Chipgröße aufgrund der größeren spezifischen Oberfläche/Seitenwandfläche im Vergleich zu . viel schwerwiegender die aktive Region des Geräts [29,30,31]. Um dieses Problem anzugehen, wurden Seitenwandpassivierung mit dielektrischen Materialien und Nassätzen mit gepufferter Flusssäure oder photoelektrochemische Verfahren vorgeschlagen, um diese Effekte für die Mikro-LED auf ein bestimmtes Niveau zu minimieren [31,32,33]. Der Peak-EQE von Mikro-LEDs (mit einer Größe von weniger als 60 µm) liegt jedoch, selbst durch die Seitenwandpassivierung verbessert, immer noch unter 25 % und sinkt dramatisch auf mehrere Prozent bei einer Stromdichte von weniger als 2 A cm ⁻² [34, 35]. Insbesondere für die rote Mikro-LED auf InGaN-Basis ist der derzeit berichtete EQE aufgrund der starken Polarisation und der schlechten Kristallqualität [0,2%) für Mini-Displays ziemlich auf unter 1% begrenzt. Appl Phys Express 14:011004" href="/articles/10.1186/s11671-021-03557-4#ref-CR36" id="ref-link-section-d295113462e757">36]. Darüber hinaus ist die Chipgröße reduziert, die Position des Spitzen-EQE verschiebt sich auch zu einer höheren Stromdichte, was eine hohe Effizienz bei niedriger Stromdichte weiter behindert [26].

Daher wird die Verbesserung der Quanteneffizienz bei niedriger Stromdichte zur großen Herausforderung und kritischen wissenschaftlichen Frage für die Anwendung von Mikro-LED-Emissionsanzeigen. Zu diesem Zweck sollte der Spitzenwirkungsgrad erhöht und der Wirkungseintrittspunkt auf eine entsprechend niedrigere Stromdichte verschoben werden. Bisher konzentrierte sich die Arbeit hauptsächlich auf die Verbesserung von Fertigungstechnologien wie der Passivierung der Seitenwände. Um die Effizienz zu verbessern, ist auch die Untersuchung des Betriebsverhaltens und der physikalischen Mechanismen von Mikro-LEDs bei niedriger Stromdichte, die noch relativ unerforscht und unverständlich sind, unerlässlich. Um ein Gerät zu schaffen, das die Effizienz bei niedriger Stromdichte mit einem maximalen Wert verbessern kann, muss außerdem die epitaktische Struktur von Mikro-LEDs neu gestaltet und optimiert werden, die sich deutlich von ihren traditionellen großformatigen High-LEDs unterscheiden sollte. Input/Output-Gegenstücke. Vorerst fehlt noch die speziell entwickelte epitaktische Struktur für das emittierende Mikro-LED-Display, das bei niedriger Stromdichte betrieben wird.

In dieser Arbeit werden die einzigartigen Herausforderungen von Mikro-LEDs für Displayanwendungen, die bei niedriger Stromdichte betrieben werden, hervorgehoben und mögliche Lösungen vorgeschlagen, um diese zu bewältigen. Mit der Software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37] untersuchen wir numerisch das Betriebsverhalten und die physikalischen Mechanismen von InGaN-Mikro-LEDs bei verschiedenen Stromdichten von 200 bis 0,1 A/cm ² . Das Banddiagramm, die Wellenfunktion und das Polarisationsfeld werden simuliert und für die QCSE von Mikro-LED analysiert, und eine strengere QCSE bei niedriger Stromdichte wird bestätigt. Einflüsse der QW-Zahl, p -Typ Dotierungskonzentration und AlGaN EBL auf den Ladungsträgertransport, Ladungsträgeranpassung, Strahlungsrekombination und Quanteneffizienz von Mikro-LEDs werden systemisch untersucht. Die Wirkung und der Mechanismus bezüglich der SRH- und Auger-Rekombination werden ebenfalls diskutiert. Basierend auf der Simulation und Analyse wird eine optimierte epitaktische Struktur vorgeschlagen, die speziell für den Betrieb von Mikro-LEDs bei niedriger Stromdichte entwickelt wurde.

Gerätestrukturen und Simulationsmethoden

In dieser Studie wird die übliche Struktur einer blauen InGaN-Mikro-LED mit einer rechteckigen Chipgröße von 60 × 60 µm und einer Peak-Emissionswellenlänge um 465 nm für die Simulation verwendet. Abbildung 1 zeigt, dass die blaue Mikro-LED aus 200 nm n . besteht -GaN-Schicht, aktive MQWs-Region, 20 nm p -Al_0,15 Ga_0,85 N EBL und 150 nm p -GaN-Schicht. Die aktive Region des MQW besteht aus 8, 5, 3, 2 oder 1 Perioden mit 2,5 nm dickem In_0,25 Ga_0,75 N QW eingebettet in 10 nm dickem In_0,05 Ga_0,95 N-Quantenbarriere (QB). Die In-Zusammensetzung von MQWs wird angepasst und optimiert, um die gewünschte blaue Emissionswellenlänge zu erreichen. Die Dotierungskonzentration von n -GaN, p -AlGaN EBL und p -GaN sind 2 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , und 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , bzw.

Schematische Darstellung der blauen Leuchtdiode auf InGaN/GaN-Basis zur Simulation und Effizienzanalyse für LED

Die optischen und elektrischen Eigenschaften von Mikro-LEDs werden numerisch mit der Software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37] untersucht. In der Simulation wird angenommen, dass 50 % der Grenzflächenladungsdichten durch spontane und piezoelektrische Polarisation verursacht werden [38]. Abgesehen von den spezifisch Erwähnten werden die SRH-Lebensdauer und der Auger-Rekombinationskoeffizient auf 100 ns und 1 × 10 ^–31 . eingestellt cm ⁶ s ⁻¹ , bzw. [39, 40]. Das Band-Offset-Verhältnis wird von 0,7/0,3 angenommen [41], die Lichtextraktionseffizienz ist auf 70 % festgelegt und die Betriebstemperatur beträgt 300 K. Andere in der Simulation verwendete Materialparameter sind in Lit. [42] zu finden.

Ergebnisse und Diskussionen

Die Wall-Plug-Effizienz (WPE) von LED kann wie folgt ausgedrückt werden:

wo P _aus bezeichnet die optische Ausgangsleistung, I _op ist der Betriebsstrom, V ist die Antriebsspannung, ℏω die Photonenenergie ist und η _wählen ist der elektrische Wirkungsgrad. EQE η _EQE ist ein Produkt der Stromeinspritzeffizienz (CIE) η _CIE , IQE η _IQE und Lichtextraktionseffizienz (LEE) η _LEE , wie durch die folgende Gleichung beschrieben:

Darüber hinaus ist nach dem ABC-Modell [43] η _IQE kann wie folgt ausgedrückt werden:

wo R _rad ist die Strahlungsrekombinationsrate, R _SRH die strahlungsfreie SRH-Rekombinationsrate ist und R _Auger ist die Auger-Rekombinationsrate. Abbildung 1 zeigt die verschiedenen Arten von Effizienz und die damit verbundenen physikalischen Mechanismen und Faktoren.

R _rad und CIE müssen maximiert werden, elektrische Effizienz und LEE müssen verbessert werden und SRH- und Auger-Rekombination müssen reduziert werden, um die Gesamteffizienz der Mikro-LED zu verbessern, die bei niedriger Stromdichte arbeitet. Um all diese Herausforderungen zu bewältigen, sind Ansätze auf Systemebene erforderlich. Mit Ausnahme der Lichtextraktion werden diese Herausforderungen in den folgenden Abschnitten erörtert und potenzielle Lösungen zur Schaffung einer effizienten epitaktischen Struktur von Mikro-LEDs werden ebenfalls vorgeschlagen.

QCSE bei niedriger Stromdichte:Internes Polarisationsfeld

Polarisationsinduzierte QCSE ist einer der dominierenden Faktoren, die den IQE von Nitrid-LED begrenzen [44]. QCSE wurde für die traditionellen großformatigen Hochleistungs-LEDs umfassend untersucht, aber es fehlt immer noch eine ausreichende Diskussion im Kontext von Mikro-LED-spezifischen Anwendungen. Daher wird dieser wichtige Effekt zunächst untersucht. Der hier diskutierte aktive Bereich der Mikro-LED besteht aus 5 Perioden-QWs, was die am häufigsten verwendete QW-Zahl für traditionelle Nitrid-LEDs ist.

Abbildung 2a zeigt die Energiebanddiagramme und die zugehörigen Elektronen- und Lochwellenfunktionen erster Ebene des fünften QW bei 200 und 0,1 A/cm ² . QB und QW erfahren eine große Bandverbiegung, die zur räumlichen Trennung von Elektronen- und Lochwellenfunktionen führt. Darüber hinaus ist die Bandverbiegung bei niedriger Stromdichte stärker, was auf eine stärkere QCSE hinweist. Dieses Phänomen wird auf den schwachen Abschirmeffekt mit weniger Nichtgleichgewichtsträgern bei niedriger Injektionsstromdichte zurückgeführt (siehe Zusatzdatei 1:Abb. S1a-d und zugehörige Diskussion) [41]. Abbildung 2b zeigt, dass eine strengere QCSE die räumliche Trennung von Trägerwellenfunktionen bei niedriger Stromdichte verbessert, was zu einer geringeren Strahlungsrekombinationsrate führt. Die Strahlungsrekombinationsraten und EL-Spektren ohne und mit Polarisationseffekt, d. h. ohne und mit QCSE, werden weiter berechnet, um zu zeigen, wie die Elektron-Loch-Trennung die Emission bei niedriger Stromdichte quantitativ reduziert. Abbildung 2c, d zeigt, dass die integrale Intensität der Strahlungsrekombinationsrate und die EL-Intensität durch QCSE um ungefähr 84,0 % bzw. 72,3 % reduziert werden. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass es aufgrund der verbesserten QCSE bei niedriger Stromdichte schwieriger ist, die Effizienz von Mikro-LEDs zu verbessern als ihre herkömmlichen Hochleistungsmodelle.

a Energiebanddiagramme und die zugehörigen Elektronen- und Lochwellenfunktionen erster Ebene des fünften QW bei 200 und 0,1 A/cm ² , bzw. b Trennungsabstand der Peakposition von Elektronen- und Lochwellenfunktionen bei 200 und 0,1 A/cm ² , bzw. c Strahlungsrekombinationsraten und d EL-Spektren berechnet bei 0,1 A/cm ² ohne bzw. mit Polarisation. e Farbpunkte aus den blauen, grünen und roten LEDs mit einer Stromdichte von 0,1 bis 20 A/cm ² aufgetragen auf dem 1931-CIE (x, y)-Farbtafel

Darüber hinaus ist die genaue und stabile Steuerung der Emissionswellenlänge bei unterschiedlichen Injektionsstromdichten entscheidend für Mikro-LED-Anzeigen, da sie verschiedene wichtige Parameter wie Helligkeit, Farbgenauigkeit und Sättigung bestimmt. Eine strengere QCSE bei niedriger Stromdichte macht dies jedoch zu einer großen Herausforderung, insbesondere für grüne und rote Mikro-LEDs, die eine höhere Indium-Zusammensetzung erfordern. Als direktes Ergebnis der erhöhten Bandverbiegung in InGaN-QWs mit einer höheren Indium-Zusammensetzung und einer stärkeren QCSE wird die Wellenlängenverschiebung gegenüber der Stromdichte aufgrund des Abschirmungseffekts stärker. Die EL-Spektren von InGaN-basierten roten, grünen und blauen Mikro-LEDs mit verschiedenen Stromdichten werden weiter berechnet, um zu zeigen, wie sich die Spektrenverschiebung auf Farbpunkte im Display auswirkt. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S2 zeigt, dass von 0,1 bis 20 A/cm ² , verschieben sich die Spitzenwellenlängen blau um ungefähr 15,8, 6,6 und 1,7 nm für rote, grüne bzw. blaue Mikro-LED. Die durch die Kombination der roten, grünen und blauen Mikro-LEDs entstehenden Farbpunkte werden ebenfalls berechnet, wie in Zusatzdatei 1:Tabelle S1 zusammengefasst. Abbildung 2e zeigt das entsprechende 1931-CIE (x, y)-Farbtafeldiagramm. Offensichtlich änderte sich die Farbe der Emission von RGB-Mikro-LEDs stark von Grün zu Blaugrün, wenn die Stromdichte zunimmt. Der 1931-CIE x-Wert kreuzt von 0,1676 bis 0,2084 und der 1931-CIE y-Wert kreuzt von 0,3891 bis 0,3106. Diese wesentliche Änderung des Farbpunkts gegenüber der Stromdichte verschlechtert die Leistung des Mikro-LED-Displays erheblich.

In vielen Berichten wurden verschiedene Ansätze zur Unterdrückung der QCSE vorgeschlagen, wie die Verwendung ultradünner InGaN/AlGaN-Übergitterbarrieren [45], InGaN/GaN/AlGaN/GaN-MQWs mit GaN-Zwischenschichtbarriere [46], faltige MQWs [47] und Einfügen eine Zugentlastungsschicht vor MQWs [48]. Aber QCSE wird durch die intrinsischen Eigenschaften von c . induziert -plane Nitridmaterial. Mehrere Anpassungen der MQWs reichen nicht aus, um diesen Effekt vollständig zu unterdrücken. Kürzlich wurde eine anständige Effizienz für nicht-polare Nitrid-LEDs erreicht. Wenn die Kosten des unpolaren GaN-Substrats gesenkt werden können, können unpolare LEDs eine ideale Lösung sein, um die QCSE zu verringern und eine stabile Vollfarbemission zu erzielen [49].

Speditionstransport und Zuordnung

Das Elektron (J _n ) und Loch (J _p ) Stromdichte kann wie folgt ausgedrückt werden:

wo σ _n und σ _p bezeichnen die Leitfähigkeit, n und p sind die Konzentration, μ _n und μ _p sind die Mobilität für das Elektron bzw. das Loch und E bezeichnet das elektrische Feld. In Nitrid ist die Lochkonzentration um eine Größenordnung niedriger als beim Elektron [50] und die Lochbeweglichkeit um zwei Größenordnungen niedriger als beim Elektron [51]. Diese Asymmetrie von Konzentration und Mobilität führt zu einer Fehlanpassung des Ladungsträgerflusses (J _n > J _p ) und verschlechtert die Leistung der LED auf zwei Arten.

Aktuelle Einspritzeffizienz :Aktuelle Einspritzeffizienz η _CIE repräsentiert das Verhältnis des Rekombinationsstroms J _recomb zum Gesamtstrom J _Gesamt , wie folgt Gleichung [52]:

J _recomb hängt vom kleineren der Trägerströme ab, d. h. vom Lochstrom. Gleichung (6) bestätigt, dass die Trägerfehlanpassung (J _n > J _p ) begrenzt die Maximierung von CIE.

Strahlende Rekombinationsrate :Strahlungsrekombinationsrate R _rad wird von Fermis goldener Regel als folgende Gleichung beschrieben:

wobei C ist eine Konstante, E _Lebenslauf ist die Übergangsenergie, h ist die Planck-Konstante, ν _Lebenslauf ist die Frequenz des erzeugten Lichts, ρ _r ist die reduzierte Zustandsdichte, f _c und f _v sind die Fermi-Dirac-Verteilungen und |M _T | ² ist das Impulsmatrixelement [53]. Weniger Löcher und zusätzliche Elektronenansammlung in der QW können zur Ausdehnung des Kristallgitters und zum Aufbau von Zugspannungen führen. Unter dieser Spannungsvariation werden die Ladungsdichten der Quantenniveaus um das Valenzbandmaximum verringert. Dies verringert die optische Übergangswahrscheinlichkeit weiter und reduziert R _rad nach Gl. (7). Auf diese Weise begrenzt die Fehlanpassung des lokalen Trägers in einer einzelnen QW auch die IQE. Genauere Diskussionen zu diesem Thema finden Sie in früheren Berichten [54,55,56].

In den folgenden Abschnitten werden die Einflüsse der QW-Zahl, p -Dotierungskonzentration und EBL-Struktur auf dem Trägertransport werden analysiert, um die besten Trägeranpassungsbedingungen zu bestimmen. Schließlich wird eine optimierte epitaktische Struktur für das effiziente Mikro-LED-Display vorgeschlagen, das bei niedriger Stromdichte arbeitet.

Nicht übereinstimmende Mobilfunkanbieter in 5QWs

Zunächst werden die Trägertransporteigenschaften von blauen Mikro-LEDs mit 5QWs simuliert. Die Verteilungen der Ladungsträgerkonzentration bei 200 A/cm ² und 0,1 A/cm ² sind in Zusatzdatei 1 dargestellt:Abb. S3a bzw. b. Die inhomogene Verteilung in 5 QWs kann sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Stromdichten beobachtet werden. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S3c und d zeigen, dass die Elektronenmobilität in MQWs (684 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ) ist zwei Größenordnungen höher als die Lochmobilität (10 cm ² .). V ⁻¹ s ⁻¹ ). Daher können Elektronen einfach in MQWs injizieren und sie dann passieren, ohne an der Rekombination teilzunehmen, was zu dem Elektronenleckproblem und einem niedrigen CIE führt [51].

Abbildung 3a zeigt die Verteilung der Elektronen- und Lochstromdichte bei 200 A/cm ² . Gesamtlochstromdichte (217,4 A/cm ² .) ) macht nur 65,2 % des Elektrons aus (333,3 A/cm ² ), was auf eine schwere Fehlanpassung des Trägers und eine niedrige CIE hinweist. Der Leckelektronenstrom beträgt bis zu 116,0 A/cm ² , was sowohl die Strahlungseffizienz als auch die Lochinjektion verschlechtert. Wie in Fig. 3b gezeigt, beträgt der Leckelektronenstrom nur 0,01 A/cm2 . , und das berechnete η _CIE beträgt bis zu 95 % bei 0,1 A/cm ² . Diese Ergebnisse zeigen, dass das Erreichen einer hohen CIE bei niedriger Stromdichte einfacher ist. Allerdings mit Ausnahme des 5. QW wo J _p kann gleich J . sein _n , sind die Trägerfehlanpassung und die zusätzliche Elektronenansammlung in anderen vier QWs (QW 1, 2, 3 und 4) sowohl bei hoher als auch niedriger Stromdichte ziemlich stark. Bei 200 A/cm ² , sind die Elektronenstromdichten dieser vier QWs 120-, 43-, 16- und 5-mal höher als die Lochstromdichte (Abb. 3a). Bei 0,1 A/cm ² , sie sind 23, 9, 4 und 2 mal höher als der Lochstrom (Abb. 3b). Basierend auf Gl. (7) verringert diese große Trägerfehlanpassung offensichtlich die Strahlungsrekombinationsrate dieser vier QWs. Daher betragen die Strahlungsrekombinationsraten in diesen vier QWs nur etwa 3,4 %, 4,0 %, 10,1 % und 34,2 % bei 200 A/cm ² , und 11,3 %, 10,1 %, 10,7 % und 21,2 % bei 0,1 A/cm ² verglichen mit dem 5. QW. Diese Trägerfehlanpassung und die geringe Strahlungsemission reduzieren schließlich die monolithische Effizienz von Mikro-LEDs.

Trägerstromverteilung von LED mit 5QWs a bei 200 A/cm ² und b bei 0,1 A/cm ² . Strahlungsrekombinationsraten von LED mit 5QWs c bei 200 A/cm ² und d bei 0,1 A/cm ²

Faktoren, die den Transport und die Zuordnung von Spediteuren beeinflussen

QW-Nummer :Für herkömmliche großformatige LEDs mit hoher Stromdichte müssen MQWs mit 5, sogar 8 oder 10 Perioden verwendet werden, um eine hohe optische Ausgangsleistung zu erreichen. Bei der emittierenden Mikro-LED-Anzeige ist die Ausgangsleistung jedoch viel geringer und die Arbeitsstromdichte viel geringer. Wie im vorherigen Abschnitt besprochen, bleibt die Trägerfehlanpassung selbst bei niedriger Stromdichte in 5 QWs ziemlich stark, und nur eine QW kann die beste Anpassungsbedingung erreichen. Aus dieser Perspektive sollte für die Mikro-LED, die bei niedriger Stromdichte arbeitet, der aktive Bereich mit einer geringeren QW-Zahl ein besseres Design zur Verbesserung der Effizienz aufgrund der verbesserten Trägeranpassung sein.

Der Einfluss der QW-Zahl auf die Mikro-LED wird untersucht, um unsere Annahme zu bestätigen. Abbildung 4a–f zeigt die Ladungsträgerstromdichte und die Strahlungsrekombinationsrate bei 0,1 A/cm ² von LEDs mit 3QWs, 2QWs bzw. 1QW. Die aktuellen Kurven haben nur einen Schnittpunkt (einen Punkt bester Trägeranpassung, J _n = J _p ) aufgrund der monoton abnehmenden Stromtendenz, jedoch mit weniger QWs, wie bei 3QWs und 2QWs, können zwei Schnittpunkte in zwei verschiedenen QWs erreicht werden (Abb. 4a, b). Mit anderen Worten, die Trägerfehlanpassung in MQWs kann mit weniger QWs teilweise überwunden werden. Speziell für die 2QWs kann bei entsprechender Einstellung die perfekte Anpassung des Trägerflusses in allen beiden QWs erreicht werden. Die Strahlungsrekombinationsrate ist auch in den 2QWs höher als in 3QWs und 5QWs, weil der Trägerverbrauch durch die Strahlungsrekombination stärker im aktiven Bereich mit weniger QWs konzentriert ist (Fig. 3d, 4d, e). Zweifellos ist die beste Trägeranpassung in der LED mit nur einem QW und die Strahlungsrekombinationsrate ist auch für das 1QW am höchsten, wie in Abb. 4c, f. gezeigt.

Trägerstromverteilung der LED mit a 3QWs, b 2QWs und c 1QW bei 0,1 A/cm ² . Strahlungsrekombinationsraten von LED mit d 3QWs, e 2QWs und f 1QW bei 0,1 A/cm ²

Abbildung 5a, b zeigt IQE als Funktion der Stromdichte zwischen 0 bis 200 A/cm ² und 0 bis 10 A/cm ² , bzw. Für eine Stromdichte von mehr als 50 A/cm ² , IQE sinkt, wenn die QW-Zahl reduziert wird. Im Gegensatz dazu IQE mit einer Stromdichte von weniger als etwa 30 A/cm ² nimmt zu, wenn die QW-Zahl abnimmt. Bei 0,1 A/cm ² , IQE-Werte für 8, 5, 3, 2 und 1 QWs betragen 55 %, 62 %, 69 %, 77 % bzw. 78 %. Darüber hinaus bewegt sich, wie in Fig. 5b gezeigt, auch die Position des Spitzen-IQE von 6,0 A/cm ² in 8 QWs auf die niedrigste Stromdichte ca. 1,2 A/cm ² in 2QWs. Die IQE-Kurven bei niedriger Stromdichte (< 1 A/cm ² ) werden mit einer niedrigeren QW-Zahl ebenfalls steiler und schärfer, was darauf hinweist, dass das Erreichen der höchsten Effizienz einfacher und schneller ist. Dies ist für die Verbesserung der Effizienz bei niedriger Stromdichte sehr vorteilhaft. Der physikalische Mechanismus hinter dieser Tendenz der IQE kann durch die bessere Anpassung des Ladungsträgerflusses und eine konzentriertere, stärkere Strahlungsemission im aktiven Bereich mit geringerer QW-Zahl erklärt werden. Wie in Fig. 5c gezeigt, ist im Vergleich zu 8 QWs die integrale EL-Intensität von 5, 3, 2 und 1 QWs bei 0,1 A/cm ² sind um 6,1%, 14,8%, 28,4% bzw. 32,1% erhöht. Dieses Ergebnis bestätigt, dass nicht nur die Effizienz, sondern auch die Ausgangsleistung mit weniger QW-Zahl verbessert wird.

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

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass 1QW die höchste EL-Intensität und möglicherweise die beste Struktur für Mikro-LEDs hat, die bei niedriger Stromdichte betrieben werden. Experimentell ist es jedoch schwierig, nur ein QW mit einer flachen Oberfläche und einer scharfen Grenzfläche epitaktisch zu züchten. Darüber hinaus erhöht sich für die 1QW-Struktur die Position des Spitzen-IQE geringfügig auf 2,9 A/cm ² , und die Form der IQE-Kurve hat sich ebenfalls leicht verändert. Dies lässt sich durch den besonderen Umstand des einzelnen QW erklären. Im Vergleich zu anderen QWs weist das an das EBL angrenzende QW eine besondere Polarisationsumgebung auf und gilt als „Problem-QW“. Dieses Thema wird im Abschnitt AlGaN EBL ausführlicher behandelt . Aus diesen Gründen sollten die 2QWs das beste Design des aktiven Bereichs sein, das eine ähnlich gute Anpassung des Trägerflusses, des nahen IQE-Werts und der EL-Intensität wie 1QW aufweist. Daher basieren in den folgenden Abschnitten alle Simulationen auf der Mikro-LED mit 2QWs.

P-GaN-Dotierungskonzentration :Die Leistung von 2QWs LEDs mit unterschiedlichen p -Typ Dopingkonzentrationen in p -GaN wird weiter untersucht. Wie in Fig. 6a gezeigt, wenn die Dotierungskonzentration von p -GaN steigt von 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ bis 5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , die Strahlungsrekombinationsraten bei 0,1 A/cm ² weitere Steigerungen um 3,1% und 3,0% für die beiden QWs. Abbildung 6b zeigt, dass die Gesamtlochstromdichte von 0,157 auf 0,162 A/cm ² . ansteigt , währenddessen wird die Leckelektronenstromdichte von 0,009 auf 0,005 A/cm ² . reduziert mit steigender Dotierungskonzentration. Es ist erwähnenswert, dass der Rekombinationsstrom im QW in der Nähe von n -Seite ist höher als das QW in der Nähe von p -Seite (Abb. 6b). Daher ist die Strahlungsrekombinationsrate in der Nähe von n -side QW ist auch etwas höher als das in der Nähe des p -Seite QW. Wie in Abb. 6c gezeigt, kann man feststellen, dass die Energiebarriere für Ladungsträger in EBL, die als der Energieabstand zwischen dem Elektron/Loch-Quasi-Fermi-Niveau und dem höchsten Leitungsband oder niedrigsten Valenzband definiert ist, unter verschiedenen Dotierungskonzentration von p -GaN, d. h. die Lochinjektion wird durch Erhöhen der Dotierungskonzentration nicht verbessert. Abbildung 6d zeigt die durchschnittliche Lochkonzentration im p -GaN und 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.

a 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 und 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.

a 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 , bzw. 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

Basierend auf Gl. (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]:

wo n _ich is the intrinsic carrier concentration, τ _p und 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 und c _n are the capture coefficients for electron and hole, N _t is the trap density, σ _p und σ _n are capture cross sections for electron and hole, and ν _p and ν _n are the average thermal velocities of electron and hole, respectively. Nach Gl. (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:

wobei C _n und 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 , bzw. 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 und 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

Nach Gl. (9), SRH lifetimes, τ _p und 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.

Schlussfolgerungen

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.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Daten und die Analysen in der aktuellen Arbeit sind auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

Abkürzungen

Micro-LED:

Micro-light-emitting-diode

QCSE:

Quantum-confined Stark effect

EBL:

Elektronenblockierschicht

SRH:

Shockley–Read–Hall

LCD:

Liquid–crystal display

OLED:

Organische Leuchtdiode

TV:

Televisions

VR:

Virtual reality

AR:

Augmented reality

QW:

Quantenbrunnen

MQWs:

Mehrere Quantentöpfe

EQE:

Externe Quanteneffizienz

IQE:

Interne Quanteneffizienz

QB:

Quantenbarriere

WPE:

Effizienz der Steckdosenleiste

CIE:

Current injection efficiency

LEE:

Lichtextraktionseffizienz