韓國三星Nature:高效的納米尺寸InGaN發光二極管

一、【導讀】

隨著發技術的不斷進步，光電二極管（LED）被用于各種應用，如固態照明、顯示器、光數據通信和光子學。其中人類對高亮度和高對比度顯示器應用的巨大需求極大地推動了微型LED的研究進展。目前，微米級尺寸的LED面臨著尺寸越低，外量子效率（EQE）越低的問題，這是由于小芯片尺寸的表面體積更大，導致其表面的非輻射復合損耗增加。據報道，藍色InGaN-LED的EQE從橫向尺寸10?μm下的~10%，下降到1μm尺寸時的~2-3%。因此，雖然nLED顯示屏在實現高性能顯示器方面具有巨大的潛力，但通過克服與尺寸相關的EQE減小問題來開發高效的微型LED是一個巨大的挑戰。

二、【成果掠影】

近日，來自韓國三星顯示公司的Mihyang Sheen，Changhee Lee等人在Nature上在線報道了一種具有高EQE的藍色InGaN / GaN多量子阱（MQW）納米棒LED（nLED），題目為“Highly efficient blue InGaN nanoscale light-emitting diodes”。研究者系統地分析研究了GaN表面與側壁鈍化層之間的相互作用，通過溶膠-凝膠法將SiO₂納米顆粒吸附在GaN表面，實現了有效的表面鈍化，降低了非輻射復合，克服了與尺寸相關的EQE減小問題，實現了峰值EQE達20.2?±?0.6%的新型InGaN nLEDs的制造。

三、【核心創新點】

• 低溫溶膠-凝膠工藝可以最大程度地減少表面鈍化過程中缺陷的形成，實現峰值EQE為2±0.6%的藍色InGaNn-LED

四、【數據概覽】

圖1?nLED的制備及其光學特性 ? 2022 Springer Nature

?(a-c) 通過傳統的自上而下的處理方法制造的nLED的原理圖和相應的SEM圖像。干法蝕刻（a），濕法蝕刻（b）和(c) 溶膠-凝膠法沉積SiO₂表面鈍化層

插圖是GaN LED納米棒上溶膠-凝膠反應的示意圖。

(d) PL圖像（頂部;藍色和黃色發射共同顯示）和熒光激發 - 發射光譜（底部）的納米棒與等離子體增強的ALD SiO₂鈍化（左）和溶膠-凝膠 SiO2鈍化（右）。

(e) 晶圓上，等離子體增強ALD制造的 SiO₂和溶膠-凝膠 SiO₂鈍化層（右）（λ?= 300–700 nm）的亞微米LED棒陣列的全色CL圖像

(f, g) PL光譜（f）和PL衰變跡線（g）

圖2等離子體增強ALD和溶膠-凝膠兩種SiO₂表面鈍化法對應的電流密度-電壓曲線

? 2022 Springer Nature

(a) 基于鈍化類型的像素內單個納米棒的EL和PL復合圖像：等離子體增強的ALD SiO₂（左）和溶膠-凝膠 SiO₂（右）。

(b) 圖2a中水平方向上MQW的EL強度分布，用放置在納米棒正上方的共聚焦顯微鏡測量。

(c)?nLED的EQE曲線

(d, e) nLED在線性刻度（d）和對數刻度（e）中的電流密度-電壓（J-V）特性。

(f) 從2.5 V時的J-V曲線獲得的理想系數

圖3?每個制造步驟后nLED的表面分析 ? 2022 Springer Nature

(a) HAADF-STEM圖像根據制造步驟在MQW中側壁。白色箭頭表示干蝕刻表面的非晶化。黃色箭頭表示等離子體損傷集中在InGaN量子阱的側壁上。

(b)?2 nm厚SiO₂的nLED的XPS內核級光譜2涂層：Ga 3d（左）和N 1s（右）。

(c)從XPS光譜獲得的Ga 3d狀態比。

(d)每個制造步驟后納米棒的ESR光譜。

(e) N-N基于ESR光譜分裂納米棒的間隙。

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圖4?采用不同鈍化方法制備的InGaN量子阱側壁缺陷 ? 2022 Springer Nature

(a) InGaN量子阱的高分辨率STEM圖像 (b)N-K邊光譜a圖中所示區域，及其DFT計算。

五、【成果啟示】

研究者通過溶膠-凝膠沉積SiO₂鈍化策略開發了EQE達到20.2±0.6%的藍色InGaN nLED。結果表明，通過常規等離子體增強的原子層沉積SiO₂進行鈍化的GaN納米棒的側壁上會產生點缺陷，從而增加非輻射復合區域。而溶膠-凝膠工藝為GaN表面提供有效的鈍化，降低了漏電流，實現了高的EQE。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04933-5?

?本文由金也供稿。