美研發出單片整合三色LED,未來將包含更多顏色組合

基於氮化銦鎵技術和現有的製造設施,應變工程可以為微顯示器提供一種可行的方法。
 
基於銦鎵氮化物(InGaN)多量子阱的應變工程,美國密歇根大學已經開發出單片整合的琥珀-綠-藍色LED(圖1)。該應變工程是通過蝕刻不同直徑的奈米柱來實現。
 
▲圖1.各種直徑的奈米柱LED陣列自上向下製造示意圖
 
研究人員希望未來能用635nm光致發光的量子阱生產出紅-綠-藍LED,為基於這種像素LED的微顯示器提供可行的方法。其他潛在應用包括照明、生物感測器和光遺傳學。
 
除了美國國家科學基金會(NSF)的支持外,三星還為製造和設備設計提供了支持。研究人員希望開發出基於現有製造基礎設施的晶片級多色LED平台。
 
磊晶材料通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在2英吋無圖案藍寶石上生長。發光有源區域由5個2.5nm InGaN阱組成,由12nm GaN柵極隔開。電子阻擋層和p-接觸層分別由20nm的氮化鋁鎵(p-Al0.2Ga0.8N)和150nm的p-GaN組成。
 
使用電子束光刻使奈米柱成型,用鎳掩模進行混合乾濕法蝕刻處理。大部分蝕刻是乾的電感耦合等離子體,濕法蝕刻階段用於實現最終直徑,並且去除乾法蝕刻步驟中的損害。蝕刻深度約為300nm。在整個製造過程中,保護蝕刻掩模,目的是為了保護p-GaN表面。
 
在對50nm氮化矽進行等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)之後,用旋塗式玻璃對結構進行平整,以電隔離n和p-GaN部分。
 
將平整後的結構進行乾式回蝕,以暴露柱的尖端。用硝酸溶液除去鎳掩模材料。p接觸的鎳/金金屬化在空氣中進行熱退火。
 
設備的電氣性能在5V反向偏壓下顯示出每像素約3x10-7A的低洩漏。低洩漏歸因於兩個因素 - 扁平量子阱提供了低電流擁擠效應,以及由應變引發的載流子到奈米柱中心的限制。在較窄的奈米柱中由於更大的電流密度造成的下降效應的風險,可通過減小應變進行改善,因此降低了由於III-氮化物中化學鍵的電荷極化引起的電場而出現的量子限制「史塔克效應」。
 
像素由具有不同直徑、發出不同顏色的柱構成(圖2)。隨著直徑的增加,波長變長,變化更大。研究人員將變化歸因於晶圓上量子阱厚度的變化。
 
▲圖2.(a)從50nm、100nm和800nm直徑的奈米柱和薄膜LED像素獲得的藍色(487nm)、綠色(512nm)、橙色(575nm)和琥珀色(600nm)光的室溫電致發光光譜。(b)採用一維應力鬆弛理論得出的光波長。(c)各種施加偏置電壓下的主峰位置。
 
隨著電壓和電流注入的增加,越來越寬鬆的窄奈米管也顯示較少的波長藍移。800nm直徑奈米柱像素的藍移在2.8V和4V之間為40nm。這歸功於研究團隊篩選阱中依賴於應變的壓電場。
 
該團隊通過脈衝頻率調製固定偏置電壓及改變強度,因此來穩定像素的輸出波長。通過這個試驗表明,所有像素類型給出了穩定的波長和相對電致發光強度,其與脈衝信號的占空比呈現幾乎線性地變化。脈衝寬度為400μs。 脈衝頻率在200Hz和2000Hz之間變化。
 
(編譯:LEDinside James)

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