Projetos da Estrutura de Micro-LED InGaN para Melhorar a Eficiência Quântica em Baixa Densidade de Corrente

Resumo

Aqui, relatamos um estudo numérico abrangente para o comportamento operacional e mecanismo físico de nitreto micro-diodo emissor de luz (micro-LED) em baixa densidade de corrente. A análise do efeito de polarização mostra que o micro-LED sofre um efeito Stark confinado ao quantum mais severo em baixa densidade de corrente, o que representa desafios para melhorar a eficiência e realizar emissão de cores estáveis. O transporte e a correspondência da portadora são analisados ​​para determinar as melhores condições de operação e otimizar o projeto da estrutura do micro-LED em baixa densidade de corrente. É mostrado que menos número quântico de poços na região ativa aumenta a correspondência de portadora e a taxa de recombinação radiativa, levando a uma maior eficiência quântica e potência de saída. A eficácia da camada de bloqueio de elétrons (EBL) para micro-LED é discutida. Ao remover o EBL, o confinamento de elétrons e a injeção de orifício são melhorados simultaneamente, portanto, a emissão de micro-LED é aumentada significativamente em baixa densidade de corrente. Os processos de recombinação relativos a Auger e Shockley – Read – Hall são investigados e a sensibilidade ao defeito é destacada para micro-LED em baixa densidade de corrente.

Sinopse :O QCSE induzido por polarização, o transporte e correspondência de portadoras e os processos de recombinação de micro-LEDs InGaN operando em baixa densidade de corrente são investigados numericamente. Com base no entendimento dos comportamentos e mecanismos desses dispositivos, são propostas estruturas epitaxiais especificamente projetadas incluindo dois QWs, altamente dopados ou sem EBL e p-GaN com alta concentração de orifício para o display emissivo micro-LED eficiente. A sensibilidade à densidade de defeito também é destacada para micro-LED.

Introdução

Os diodos emissores de luz visível (LEDs) baseados em nitreto do Grupo III têm uma ampla gama de aplicações, incluindo sinais, comunicação óptica, armazenamento de informações, backlights, displays e iluminação geral (ou iluminação de estado sólido) [1, 2]. Desde a primeira demonstração do microdisco InGaN LED com um diâmetro de 12 μm por Jiang e seus colegas de trabalho em 2000 [3, 4], o micro-LED recebeu crescentes interesses acadêmicos e industriais nas áreas de monitores de alta resolução , comunicação de luz visível, biomedicina e detecção [5,6,7,8]. Comparado com display de cristal líquido (LCD) e diodo orgânico emissor de luz (OLED), o micro-LED tem vantagens de tamanho pequeno, alta resolução, alta eficiência luminosa, alto brilho, alta saturação de cor, longa vida útil, alta velocidade de resposta, e robustez, que o torna o candidato mais promissor para a tecnologia de exibição de próxima geração [9, 10]. Os cenários de aplicação da tela micro-LED incluem televisores de última geração (TV), laptops, dispositivos portáteis e terminais móveis, realidade virtual (VR), realidade aumentada (AR), tela transparente e assim por diante. De acordo com a estimativa de Yole, o mercado de telas micro-LED chegará a 330 milhões de unidades em 2025 [11].

As aplicações tradicionais de LEDs de nitreto do grupo III, especialmente iluminação de estado sólido, requerem que a potência de saída óptica seja a mais alta possível [12]. Nas últimas três décadas, motivado por aplicações de alta potência, a pesquisa moderna para LEDs de nitreto, incluindo o projeto e otimização da estrutura epitaxial, o estudo do comportamento operacional e do mecanismo físico do dispositivo, e o aprimoramento da tecnologia de fabricação, é focado principalmente no grande chip, alta densidade de corrente de trabalho e alta potência de entrada / saída [12, 13]. Acima de tudo, a região ativa do nitreto LED evoluiu da heteroestrutura mais simples e poço quântico único (QW) no estágio inicial para poços quânticos múltiplos de hoje (MQWs) com 5 períodos QWs, e o número QW pode chegar a 8 ou 10 para vários dispositivos comercializados de alta potência [14,15,16,17]. O EBL foi proposto para bloquear o vazamento de elétrons em alta densidade de corrente de injeção, embora também possa impedir a injeção de orifício em algum nível [18, 19]. Para LEDs convencionais de alta potência, o problema mais substancial é a redução da eficiência quântica externa (EQE) com o aumento da densidade de corrente, que é conhecido como queda de eficiência. O mecanismo intrínseco desse comportamento está relacionado à recombinação Auger indireta em alta densidade de portadores injetados [20]. Quanto à fabricação, flip-chip de filme fino e geometria de injeção vertical são desenvolvidos para expandir o nível de potência dos LEDs de nitreto [21, 22].

Avanços consideráveis ​​foram feitos para os tradicionais LEDs de nitreto de alta potência de grande porte e algumas das lições aprendidas podem ser aproveitadas para o estudo de micro-LEDs. No entanto, os micro-LEDs ainda são muito diferentes de seus equivalentes de alta potência. Os diferentes comportamentos operacionais, mecanismos e condições do micro-LED podem resultar em diferentes desafios e caminhos de pesquisa [23, 24]. Para LEDs tradicionais, o EQE de pico está localizado em alta densidade de corrente e a densidade de corrente de trabalho é alta e além da eficiência de pico (> 30 A cm ⁻² ) Mas para a tela emissiva de micro-LED, a densidade da corrente de trabalho deve ser muito mais baixa e frequentemente na faixa de 0,02 a 2 A cm ⁻² [24]. Nessa baixa densidade de corrente, o EQE do LED de nitreto tradicional é muito baixo e não suficiente para as aplicações práticas de display de micro-LED. Ao utilizar os benefícios do V-pit para filtrar os deslocamentos e melhorar a injeção do orifício, Zhang e seus colegas criaram LEDs baseados em InGaN eficientes com eficiência de pico de até 24,0% a 0,8 A / cm ² . No entanto, os chips de LED relatados por Zhang et al. ainda está limitado ao tamanho tradicional (1 mm × 1 mm), que é muito maior do que o do micro-LED [25]. Além disso, muitos trabalhos relataram que a eficiência quântica interna (IQE) e EQE de micro-LEDs diminuem à medida que o tamanho do chip é reduzido [26,27,28]. Esta degradação dependente do tamanho é atribuída principalmente à recombinação da superfície e aos danos da parede lateral induzidos pela corrosão seca assistida por plasma. Esses efeitos de parede lateral contribuem para a recombinação não radiativa Shockley – Read – Hall (SRH), então diminuem a eficiência quântica e se tornam muito mais sérios com um tamanho de chip menor devido à maior área específica de superfície / parede lateral em comparação com a região ativa do dispositivo [29,30,31]. Para resolver este problema, a passivação da parede lateral usando materiais dielétricos e corrosão úmida usando ácido fluorídrico tamponado ou método fotoeletroquímico foram propostas para minimizar esses efeitos a um certo nível para o micro-LED [31,32,33]. No entanto, mesmo melhorado pela passivação da parede lateral, o EQE de pico de micro-LEDs (com um tamanho menor que 60 μm) ainda é inferior a 25% e diminuiu drasticamente para vários por cento em uma densidade de corrente inferior a 2 A cm ^-2 [34, 35]. Especialmente para o micro-LED vermelho baseado em InGaN, o EQE relatado atualmente é bastante limitado a menos de 1%, devido à forte polarização e baixa qualidade de cristal [0,2%) para mini-monitores. Appl Phys Express 14:011004 "href =" / articles / 10.1186 / s11671-021-03557-4 # ref-CR36 "id =" ref-link-section-d295113462e757 "> 36]. Além disso, com o tamanho do chip reduzido, a posição do EQE de pico também se move para uma densidade de corrente mais alta, o que impedirá ainda mais a alta eficiência em densidade de corrente baixa [26].

Portanto, melhorar a eficiência quântica em baixa densidade de corrente se torna o grande desafio e a questão científica crítica para a aplicação de display emissivo de micro-LED. Para este propósito, a eficiência de pico deve ser aumentada e a posição inicial da eficiência deve ser deslocada para uma densidade de corrente mais baixa apropriada. Anteriormente, trabalhava principalmente com o aprimoramento da tecnologia de fabricação, como a passivação de paredes laterais. Para melhorar a eficiência, também é essencial investigar os comportamentos operacionais e mecanismos físicos do micro-LED em baixa densidade de corrente, que ainda é relativamente inexplorado e pouco compreendido. Além disso, para criar um dispositivo que possa melhorar a eficiência em baixa densidade de corrente com um valor máximo, a estrutura epitaxial do micro-LED também precisa ser redesenhada e otimizada, que deve ser bem diferente de seus tradicionais grandes tamanhos contrapartidas de entrada / saída. Por enquanto, a estrutura epitaxial projetada especificamente para a tela emissiva de micro-LED operando em baixa densidade de corrente continua ausente.

Neste trabalho, os desafios exclusivos do micro-LED para a aplicação de display operando em baixa densidade de corrente são destacados e soluções potenciais para resolvê-los são propostas. Usando o software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37], investigamos numericamente os comportamentos operacionais e mecanismos físicos dos micro-LEDs InGaN em várias densidades de corrente de 200 a 0,1 A / cm ² . O diagrama de banda, função de onda e campo de polarização são simulados e analisados ​​para o QCSE de micro-LED, e um severer QCSE em baixa densidade de corrente é confirmado. Influências do número QW, p concentração de dopagem de tipo e AlGaN EBL no transporte de portadores, correspondência de portadores, recombinação radiativa e eficiência quântica de micro-LED são investigados sistemicamente. O efeito e o mecanismo sobre a recombinação SRH e Auger também são discutidos. Com base na simulação e análise, é proposta uma estrutura epitaxial otimizada especificamente projetada para micro-LED operando em baixa densidade de corrente.

Estruturas de dispositivo e métodos de simulação

Neste estudo, a estrutura comum do micro-LED InGaN azul com um tamanho de chip retangular de 60 × 60 μm e um comprimento de onda de emissão de pico em torno de 465 nm é usada para a simulação. A Figura 1 mostra que o micro-LED azul é composto por 200 nm n Camada -GaN, região ativa MQWs, 20 nm p -Al _0,15 Ga _0,85 N EBL e 150 nm p Camada -GaN. A região ativa MQWs consiste em 8, 5, 3, 2 ou 1 períodos com 2,5 nm de espessura em _0,25 Ga _0,75 N QW embutido em 10 nm de espessura em _0,05 Ga _0,95 Barreira quântica N (QB). A composição In de MQWs é ajustada e otimizada para atingir o comprimento de onda de emissão azul desejado. A concentração de doping de n -GaN, p -AlGaN EBL e p -GaN são 2 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ e 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , respectivamente.

Ilustração esquemática do diodo emissor de luz azul baseado em InGaN / GaN usado para a simulação e a análise de eficiência para LED

As propriedades ópticas e elétricas dos micro-LEDs são investigadas numericamente usando o software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37]. Na simulação, 50% das densidades de carga da interface causadas pela polarização espontânea e piezoelétrica é assumido [38]. Exceto para o especificamente mencionado, o tempo de vida SRH e o coeficiente de recombinação Auger são definidos como 100 ns e 1 × 10 ^–31 cm ⁶ s ⁻¹ , respectivamente [39, 40]. A razão de deslocamento de banda é assumida 0,7 / 0,3 [41], a eficiência de extração de luz é fixada em 70% e a temperatura de operação é 300 K. Outros parâmetros de material usados ​​na simulação podem ser encontrados na Ref [42].

Resultados e discussões

A eficiência da tomada de parede (WPE) do LED pode ser expressa da seguinte forma:
$$ {\ text {WPE}} =\ frac {{P _ {{{\ text {out}}}}}} {{I _ {{{\ text {op}}}} \ times V}} =\ eta_ {{{\ text {EQE}}}} \ frac {\ hbar \ omega} {{e \ times V}} =\ eta _ {{{\ text {EQE}}}} \ times \ eta _ {{{\ text {elect}}}}, $$ (1)
onde P _fora denota a potência de saída óptica, I _op é a corrente operacional, V é a tensão da unidade, ℏ ω é a energia do fóton, e η _eleitos é a eficiência elétrica. EQE η _EQE é um produto da eficiência de injeção de corrente (CIE) η _CIE , IQE η _IQE e eficiência de extração de luz (LEE) η _LEE , conforme descrito pela seguinte equação:
$$ \ eta _ {{{\ text {EQE}}}} =\ eta _ {{{\ text {CIE}}}} \ times \ eta _ {{{\ text {IQE}}}} \ times \ eta _ {{ {\ enviar mensagem de texto para {LEE}}}}. $$ (2)
Além disso, de acordo com o modelo ABC [43], η _IQE pode ser expresso da seguinte forma:
$$ \ eta _ {{{\ text {IQE}}}} =\ frac {{R _ {{{\ text {rad}}}}}} {{R _ {{{\ text {rad}}}} + R_ {{{\ text {SRH}}}} + R _ {{{\ text {Auger}}}}}}, $$ (3)
onde R _rad é a taxa de recombinação radiativa, R _SRH é a taxa de recombinação não radiativa SRH, e R _Auger é a taxa de recombinação Auger. A Figura 1 mostra os diferentes tipos de eficiência e os mecanismos e fatores físicos relacionados.

R _rad e o CIE deve ser maximizado, a eficiência elétrica e o LEE devem ser melhorados e a recombinação SRH e Auger deve ser reduzida para melhorar a eficiência geral do micro-LED operando em baixa densidade de corrente. Abordagens em nível de sistema são necessárias para enfrentar todos esses desafios. Exceto para a extração de luz, esses desafios serão discutidos nas seções a seguir, e soluções potenciais para a criação de uma estrutura epitaxial eficiente de micro-LED também serão propostas.

QCSE em baixa densidade de corrente:campo de polarização interna

O QCSE induzido por polarização é um dos fatores dominantes que limitam o IQE do LED de nitreto [44]. QCSE foi amplamente estudado para o tradicional LED de alta potência de grande porte, mas ainda carece de discussão suficiente no contexto de aplicações específicas de micro-LED. Portanto, este importante efeito é investigado primeiro. A região ativa do micro-LED discutida aqui é construída por 5 QWs de período, que é o número QW mais comumente usado para o LED de nitreto tradicional.

A Figura 2a mostra os diagramas de banda de energia e as funções de onda de elétron e buraco de primeiro nível relacionadas do quinto QW a 200 e 0,1 A / cm ² . QB e QW experimentam uma grande curvatura de banda, levando à separação espacial de funções de onda de elétron e buraco. Além disso, a curvatura da banda é mais forte em baixa densidade de corrente, indicando um QCSE mais forte. Esse fenômeno é atribuído ao fraco efeito de triagem com menos portadores de não-equilíbrio em baixa densidade de corrente de injeção (consulte o arquivo adicional 1:Fig. S1a-d e discussão relacionada) [41]. A Figura 2b mostra que um QCSE mais severo aumenta a separação espacial das funções de onda portadora em baixa densidade de corrente, o que leva a uma taxa de recombinação radiativa mais baixa. As taxas de recombinação radiativa e espectros EL sem e com efeito de polarização, ou seja, sem e com QCSE, são calculados adicionalmente para mostrar como a separação elétron-buraco reduz quantitativamente a emissão em baixa densidade de corrente. A Figura 2c, d mostra que a intensidade integral da taxa de recombinação radiativa e a intensidade EL são reduzidas em aproximadamente 84,0% e 72,3% por QCSE, respectivamente. Esses resultados indicam que é mais difícil melhorar a eficiência para micro-LED do que seus primos tradicionais de alta potência devido ao QCSE aprimorado em baixa densidade de corrente.

a Diagramas de banda de energia e o elétron de primeiro nível relacionado e funções de onda de buraco do quinto QW a 200 e 0,1 A / cm ² , respectivamente. b Distância de separação da posição do pico das funções de onda do elétron e buraco a 200 e 0,1 A / cm ² , respectivamente. c Taxas de recombinação radiativa e d Espectro EL calculado a 0,1 A / cm ² sem e com polarização, respectivamente. e Pontos de cor criados a partir dos LEDs azul, verde e vermelho com densidade de corrente de 0,1 a 20 A / cm ² plotado no diagrama de cromaticidade 1931-CIE (x, y)

Além disso, o controle preciso e estável do comprimento de onda de emissão em diferentes densidades de corrente de injeção é fundamental para a tela de micro-LED, porque determina vários parâmetros importantes, como brilho, precisão de cor e saturação. No entanto, um QCSE mais severo em baixa densidade de corrente torna isso um grande desafio, especialmente para micro-LEDs verdes e vermelhos que requerem uma composição de índio mais alta. Como resultado direto da curvatura de banda aumentada em InGaN QWs com uma composição de índio mais alta e um QCSE mais forte, a mudança de comprimento de onda em relação à densidade de corrente se torna mais pronunciada devido ao efeito de triagem. Os espectros EL do micro-LED vermelho, verde e azul baseado em InGaN com várias densidades de corrente são calculados posteriormente para mostrar como a mudança de espectro afeta os pontos de cor no visor. Arquivo adicional 1:A Figura S2 mostra que de 0,1 a 20 A / cm ² , os comprimentos de onda de pico mudam para o azul em aproximadamente 15,8, 6,6 e 1,7 nm para micro-LED vermelho, verde e azul, respectivamente. Os pontos de cor criados pela combinação dos micro-LEDs vermelho, verde e azul também são calculados, conforme resumido no Arquivo adicional 1:Tabela S1. A Figura 2e ilustra o diagrama de cromaticidade 1931-CIE (x, y) correspondente. Claramente, a cor da emissão dos micro-LEDs RGB mudou muito de verde para azul esverdeado quando a densidade de corrente aumenta. O valor de 1931-CIE x cruza de 0,1676 a 0,2084, e o valor de 1931-CIE y cruza de 0,3891 a 0,3106. Esta mudança substancial do ponto de cor em relação à densidade da corrente deteriora muito o desempenho da tela de micro-LED.

Muitos relatórios sugeriram várias abordagens para suprimir o QCSE, como o uso de barreiras de superrede ultrafinas InGaN / AlGaN [45], InGaN / GaN / AlGaN / GaN MQWs com barreira intermediária de GaN [46], MQWs enrugadas [47] e inserção uma camada de alívio de tensão antes de MQWs [48]. Mas QCSE é induzido pelas propriedades intrínsecas de c - material de nitreto de plano. Vários ajustes de MQWs não são suficientes para suprimir esse efeito completamente. Recentemente, uma eficiência decente foi alcançada para LED de nitreto apolar. Se o custo do substrato GaN não polar pode ser reduzido, o LED não polar pode ser uma solução ideal para diminuir o QCSE e realizar a emissão de cores estáveis ​​[49].

Transporte de operadora e correspondência

O elétron ( J _n ) e buraco ( J _p ) a densidade de corrente pode ser expressa da seguinte forma:
$$ J_ {n} =\ sigma_ {n} \ left | {\ varvec {E}} \ right | =nq \ mu_ {n} \ left | {\ varvec {E}} \ right |, $$ (4) $$ J_ {p} =\ sigma_ {p} \ left | {\ varvec {E}} \ right | =pq \ mu_ {p} \ left | {\ varvec {E}} \ right |, $$ (5)
onde σ _n e σ _p denotam a condutividade, n e p são a concentração, μ _n e μ _p são a mobilidade para o elétron e buraco, respectivamente, e E denota o campo elétrico. No nitreto, a concentração do buraco é uma ordem de magnitude menor do que o eletrocn [50], e a mobilidade do buraco é duas ordens de magnitude menor do que o elétron [51]. Esta assimetria de concentração e mobilidade leva ao descompasso do fluxo de portadores ( J _n > J _p ) e deteriora o desempenho do LED de duas maneiras.

Eficiência de injeção atual :Eficiência de injeção atual η _CIE representa a proporção da corrente de recombinação J _recomb à corrente total J _total , conforme a seguinte equação [52]:
$$ \ eta _ {{{\ text {CIE}}}} =\ frac {{J _ {{{\ text {recomb}}}}}} {{J _ {{{\ text {total}}}}}} =\ frac {{J _ {{n {\ text {- recomb}}}} + J _ {{p {\ text {- recomb}}}}}} {{J_ {n} + J_ {p}}} =\ frac {{2 \ vezes J_ {p}}} {{J_ {n} + J_ {p}}}. $$ (6)
J _recomb depende da menor das correntes portadoras, ou seja, a corrente do orifício. A Equação (6) confirma que a correspondência incorreta da portadora ( J _n > J _p ) limita a maximização do CIE.

Taxa de recombinação radiativa :A taxa de recombinação radiativa R _rad é descrito pela regra de ouro de Fermi como a seguinte equação:
$$ R _ {{{\ text {rad}}}} =C \ times \ smallint {\ text {d}} E_ {cv} hv_ {cv} \ left | {\ overline {{M_ {T}}} \ left ({E_ {cv}} \ right)} \ right | ^ {2} \ rho_ {r} \ left ({E_ {cv}} \ right) f_ { v} \ left ({1 - f_ {c}} \ right), $$ (7)
onde C é uma constante, E _cv é a energia de transição, h é a constante de Planck, ν _cv é a frequência da luz gerada, ρ _r é a densidade reduzida de estados, f _c e f _v são as distribuições Fermi – Dirac e | M _T | ² é o elemento da matriz de momento [53]. Menos lacunas e acúmulo adicional de elétrons no QW podem levar à expansão da rede cristalina e ao aumento da deformação de tração. Sob esta variação de tensão, as densidades de carga dos níveis quânticos em torno do máximo da banda de valência são reduzidas. Isso diminui ainda mais a probabilidade de transição óptica e reduz R _rad de acordo com a Eq. (7). Dessa maneira, a correspondência incorreta da portadora local em um único QW também limita o IQE. Uma discussão mais específica sobre este tópico pode ser encontrada em relatórios anteriores [54,55,56].

Nas seções a seguir, as influências do número QW, p a concentração de dopagem do tipo e a estrutura de EBL no transporte do portador serão analisadas para determinar as melhores condições de correspondência do portador. Por fim, será proposta uma estrutura epitaxial otimizada para o eficiente display de micro-LEDs operando em baixa densidade de corrente.

Carrier Mis-Matching em 5QWs

Primeiro, as propriedades de transporte da portadora do micro-LED azul com 5QWs são simuladas. As distribuições de concentração de portador em 200 A / cm ² e 0,1 A / cm ² são ilustrados no arquivo adicional 1:Fig. S3a eb, respectivamente. A distribuição não homogênea em 5 QWs pode ser observada em altas e baixas densidades de corrente. Arquivo adicional 1:A Figura S3c ed mostra que a mobilidade do elétron em MQWs (684 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ) é duas ordens de magnitude maior do que a mobilidade do buraco (10 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ ) Conseqüentemente, os elétrons podem apenas injetar e depois passar pelos MQWs sem participar da recombinação, levando ao problema de vazamento de elétrons e um CIE baixo [51].

A Figura 3a mostra a distribuição de densidade de corrente de elétron e buraco a 200 A / cm ² . Densidade de corrente total do orifício (217,4 A / cm ² ) é apenas 65,2% do elétron (333,3 A / cm ² ), indicando um grave erro de correspondência da portadora e um CIE baixo. A corrente de fuga de elétrons é tão alta quanto 116,0 A / cm ² , que deteriora a eficiência radiativa e a injeção do orifício. Conforme mostrado na Fig. 3b, a corrente de fuga de elétrons é de apenas 0,01 A / cm ² , e o η calculado _CIE chega a 95% a 0,1 A / cm ² . Esses resultados indicam que alcançar um CIE alto é mais fácil em baixa densidade de corrente. No entanto, exceto o 5º QW onde J _p pode ser igual a J _n , a correspondência incorreta de portadoras e o acúmulo de elétrons adicionais são bastante graves em outros quatro QWs (QW 1, 2, 3 e 4) em alta e baixa densidade de corrente. A 200 A / cm ² , as densidades de corrente de elétrons desses quatro QWs são 120, 43, 16 e 5 vezes maiores do que a densidade de corrente do buraco (Fig. 3a). A 0,1 A / cm ² , eles são 23, 9, 4 e 2 vezes maiores do que a corrente do orifício (Fig. 3b). Com base na Eq. (7), esse grande erro de combinação de portadores evidentemente diminui a taxa de recombinação radiativa desses quatro QWs. Portanto, as taxas de recombinação radiativa nestes quatro QWs são apenas cerca de 3,4%, 4,0%, 10,1% e 34,2% a 200 A / cm ² , e 11,3%, 10,1%, 10,7% e 21,2% a 0,1 A / cm ² em comparação com o 5º QW. A combinação incorreta de portadoras e a baixa emissão radiativa reduzem finalmente a eficiência monolítica do micro-LED.

Distribuição de corrente portadora de LED com 5QWs a a 200 A / cm ² e b a 0,1 A / cm ² . Taxas de recombinação radiativa de LED com 5QWs c a 200 A / cm ² e d a 0,1 A / cm ²

Fatores que influenciam o transporte e correspondência da transportadora

Número QW :Para LEDs tradicionais de grande porte operando em alta densidade de corrente, MQWs com 5, até 8 ou 10 períodos devem ser usados ​​para obter uma alta potência de saída óptica. No entanto, para o display emissivo de micro-LED, a potência de saída é muito menor e a densidade da corrente de trabalho é muito menor. Conforme discutido na seção anterior, mesmo em baixa densidade de corrente, o erro de correspondência da portadora permanece bastante grave em 5QWs, e apenas um QW ​​pode atingir a melhor condição de correspondência. A partir desta perspectiva, para o micro-LED operando em baixa densidade de corrente, a região ativa com menos número QW deve ser um projeto melhor para melhorar a eficiência devido à correspondência de portadora aprimorada.

O efeito do número QW no micro-LED é investigado para verificar nossa suposição. A Figura 4a-f mostra a densidade da corrente portadora e a taxa de recombinação radiativa a 0,1 A / cm ² de LEDs com 3QWs, 2QWs e 1QW, respectivamente. As curvas atuais têm apenas um ponto de interseção (um ponto de melhor correspondência de portadora, J _n = J _p ) devido à tendência monotonicamente decrescente da corrente, mas com menos QWs, como os casos de 3QWs e 2QWs, dois pontos de intersecção podem ser alcançados em dois QWs diferentes (Fig. 4a, b). Em outras palavras, a correspondência incorreta de portadora em MQWs pode ser parcialmente superada com menos QWs. Especialmente para os 2QWs, com o ajuste adequado, o casamento perfeito do fluxo de portadora pode ser alcançado em todos os dois QWs. A taxa de recombinação radiativa também é maior no 2QWs do que nos 3QWs e 5QWs porque o consumo de portadores pela recombinação radiativa é mais concentrado na região ativa com menos QWs (Figs. 3d, 4d, e). Sem dúvida, o melhor casamento de portadora está no LED com apenas um QW, e a taxa de recombinação radiativa também é maior para o 1QW, conforme mostrado nas Fig. 4c, f.

Distribuição de corrente portadora de LED com a 3QWs, b 2QWs e c 1QW a 0,1 A / cm ² . Taxas de recombinação radiativa de LED com d 3QWs, e 2QWs e f 1QW a 0,1 A / cm ²

A Figura 5a, b mostra o IQE em função da densidade de corrente entre 0 a 200 A / cm ² e 0 a 10 A / cm ² , respectivamente. Para uma densidade de corrente superior a 50 A / cm ² , O IQE diminui quando o número QW é reduzido. Em contraste, IQE com densidade de corrente inferior a cerca de 30 A / cm ² aumenta quando o número QW diminui. A 0,1 A / cm ² , Os valores de IQE para 8, 5, 3, 2 e 1 QWs são 55%, 62%, 69%, 77% e 78%, respectivamente. Além disso, como mostrado na Fig. 5b, a posição do pico IQE também se move de 6,0 A / cm ² em 8 QWs para a densidade de corrente mais baixa aproximadamente 1,2 A / cm ² em 2QWs. As curvas IQE em baixa densidade de corrente (<1 A / cm ² ) também se tornam mais íngremes e nítidas com um número QW mais baixo, indicando que alcançar a maior eficiência é mais fácil e mais rápido. Isso é bastante benéfico para melhorar a eficiência em baixa densidade de corrente. O mecanismo físico por trás dessa tendência de IQE pode ser explicado pela melhor combinação de fluxo de portadores e emissão radiativa mais concentrada e mais forte na região ativa com menos número de QW. Conforme mostrado na Fig. 5c, em comparação com 8 QWs, a intensidade EL integral de 5, 3, 2 e 1 QWs a 0,1 A / cm ² aumentaram cerca de 6,1%, 14,8%, 28,4% e 32,1%, respectivamente. Este resultado confirma que não apenas a eficiência, mas também a potência de saída é melhorada com menos número QW.

a Curvas IQE e b Curvas de IQE em baixa densidade de corrente de LED com 8, 5, 3, 2 e 1 QWs. c Espectros EL de LED com 8, 5, 3, 2 e 1 QWs a 0,1 A / cm ²

Os resultados da simulação mostram que 1QW tem a maior intensidade de EL e talvez a melhor estrutura para micro-LED operando em baixa densidade de corrente. No entanto, experimentalmente, é difícil cultivar epitaxialmente apenas um QW ​​que tenha superfície plana e interface nítida. Além disso, para a estrutura 1QW, a posição do pico IQE aumenta ligeiramente para 2,9 A / cm ² , e a forma da curva IQE também mudou ligeiramente. Isso pode ser explicado pela circunstância especial do único QW. Comparado com outros QWs, o QW adjacente ao EBL tem um ambiente de polarização especial e é considerado um “QW problemático”. Este tópico será discutido com mais detalhes na seção de AlGaN EBL . Considerando essas razões, o 2QWs deve ser o melhor projeto de região ativa, que tem boa correspondência semelhante de fluxo de portadora, valor de IQE próximo e intensidade de EL para 1QW. Portanto, nas seções a seguir, todas as simulações são baseadas no micro-LED com 2QWs.

Concentração de doping P-GaN :O desempenho de LEDs 2QWs com diferentes p -tipo concentrações de dopagem em p -GaN é mais investigado. Conforme mostrado na Fig. 6a, quando a concentração de dopagem de p -GaN aumentando de 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ para 5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , as taxas de recombinação radiativa de 0,1 A / cm ² aumenta ainda mais cerca de 3,1% e 3,0% para os dois QWs. A Figura 6b mostra que a densidade de corrente total do orifício aumenta de 0,157 a 0,162 A / cm ² , enquanto isso, a densidade da corrente de elétrons de fuga é reduzida de 0,009 para 0,005 A / cm ² com o aumento da concentração de dopagem. É importante notar que a corrente de recombinação no QW perto de n - lado é mais alto do que o QW perto de p lado (Fig. 6b). Portanto, a taxa de recombinação radiativa perto de n - lado QW também é ligeiramente mais alto do que perto de p -side QW. Como mostrado na Fig. 6c, pode-se descobrir que a barreira de energia para portadores em EBL, que é definida como a distância de energia entre o nível de quase-Fermi elétron / buraco e a banda de condução mais alta ou banda de valência mais baixa, são quase inalteradas sob diferenças concentração de dopagem de p -GaN, ou seja, a injeção do orifício não é melhorada com o aumento da concentração de dopagem. A Figura 6d mostra a concentração média do orifício no p -GaN e 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 e 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 são investigados. 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 , respectivamente. 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

Com base na Eq. (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]:
$$R_{{{\text{SRH}}}} =\frac{{np - n_{i}^{2} }}{{\tau_{p} \left( {n + n_{i} \exp \left( {\frac{{E_{T} }}{kT}} \right)} \right) + \tau_{n} \left( {p + n_{i} \exp \left( {\frac{{E_{T} }}{kT}} \right)} \right)}},$$ (8) $$\tau_{p} =\frac{1}{{c_{p} N_{t} }}, \tau_{n} =\frac{1}{{c_{n} N_{t} }},$$ (9) $$c_{p} =\sigma_{p} \nu_{p} , c_{n} =\sigma_{n} \nu_{n} ,$$ (10)
onde n _i is the intrinsic carrier concentration, τ _p e 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 e c _n are the capture coefficients for electron and hole, N _t is the trap density, σ _p e σ _n are capture cross sections for electron and hole, and ν _p e ν _n are the average thermal velocities of electron and hole, respectively. According to Eqs. (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:
$$R_{{{\text{Auger}}}} =\left( {C_{n} n + C_{p} p} \right)\left( {np - n_{i}^{2} } \right),$$ (11)
onde C _n e 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:
$$R_{{{\text{SRH}}}} =\frac{np}{{\tau_{p} n + \tau_{n} p}},$$ (12) $$R_{{{\text{Auger}}}} =\left( {C_{n} n + C_{p} p} \right)np.$$ (13)
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 , respectivamente. 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 e 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

De acordo com a Eq. (9), SRH lifetimes, τ _p e 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.

Conclusões

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.

Disponibilidade de dados e materiais

The data and the analysis in the current work are available from the corresponding authors on reasonable request.

Abreviações

Micro-LED:

Micro-light-emitting-diode

QCSE:

Efeito Stark confinado por quantum

EBL:

Camada de bloqueio de elétrons

SRH:

Shockley–Read–Hall

LCD:

Liquid–crystal display

OLED:

Organic light-emitting diode

TV:

Televisions

VR:

Realidade virtual

AR:

Augmented reality

QW:

Quantum well

MQWs:

Multiple quantum wells

EQE:

Eficiência quântica externa

IQE:

Eficiência quântica interna

QB:

Quantum barrier

WPE:

Eficiência de tomada de parede

CIE:

Current injection efficiency

LEE:

Light extraction efficiency

Revisão do progresso recente em diodos PN baseados em GaN verticais Detector infravermelho de comprimento de onda longo P + –π – M – N + InAs / GaSb Superlattice de longo comprimento de onda infravermelho com vulcanização anódica de alto desempenho - pré-tratado