Otimização de Estruturas de Micro-LED InGaN para Eficiência Quântica Aprimorada em Baixas Densidades de Corrente

Resumo

Aqui relatamos um estudo numérico abrangente para o comportamento operacional e mecanismo físico de micro-diodo emissor de luz de nitreto (micro-LED) em baixa densidade de corrente. A análise do efeito de polarização mostra que o micro-LED sofre um efeito Stark confinado quântico (QCSE) mais severo em baixa densidade de corrente, o que representa desafios para melhorar a eficiência e realizar emissão de cor completa estável. Transporte e correspondência de portadores são analisados para determinar as melhores condições operacionais e otimizar o design da estrutura do micro-LED em baixa densidade de corrente. Mostra-se que menor número de poços quânticos na região ativa melhora a correspondência de portadores e a taxa de recombinação radiativa, levando a maior eficiência quântica e potência de saída. A eficácia da camada de bloqueio de elétrons (EBL) para micro-LED é discutida. Ao remover a EBL, o confinamento de elétrons e a injeção de buracos são melhorados simultaneamente, portanto a emissão do micro-LED é significativamente aprimorada em baixa densidade de corrente. Os processos de recombinação referentes a Auger e Shockley-Read-Hall são investigados, e a sensibilidade a defeitos é destacada para micro-LED em baixa densidade de corrente.

Sinopse: O QCSE induzido por polarização, o transporte e correspondência de portadores, e processos de recombinação de micro-LEDs InGaN operando em baixa densidade de corrente são investigados numericamente. Baseado na compreensão desses comportamentos e mecanismos de dispositivo, estruturas epitaxiais especificamente projetadas incluindo dois PQs, EBL altamente dopada ou sem EBL e p-GaN com alta concentração de buracos para micro-LED emissivo eficiente são propostas. A sensibilidade à densidade de defeitos também é destacada para micro-LED.

Introdução

Diodos emissores de luz (LEDs) baseados em nitretos do grupo III têm ampla gama de aplicações incluindo sinais, comunicação óptica, armazenamento de informação, retroiluminação, displays e iluminação geral (ou iluminação de estado sólido). Desde a primeira demonstração de micro-LED de disco de InGaN com diâmetro de 12 μm por Jiang e colaboradores em 2000, o micro-LED recebeu interesses acadêmicos e industriais crescentes nos campos de displays de alta resolução, comunicação de luz visível, bio-medicina e sensoriamento. Comparado com display de cristal líquido (LCD) e diodo emissor de luz orgânico (OLED), micro-LED tem vantagens de pequeno tamanho, alta resolução, alta eficiência luminosa, alto brilho, alta saturação de cor, longa vida útil, alta velocidade de resposta e robustez, o que o torna o candidato mais promissor para tecnologia de display de próxima geração. Cenários de aplicação de display micro-LED incluem televisores (TV) de alta gama, laptops, dispositivos terminais portáteis e móveis, realidade virtual (VR), realidade aumentada (AR), display transparente, e assim por diante. Segundo estimativa da Yole, o mercado de display micro-LED atingirá 330 milhões de unidades até 2025.

Aplicações tradicionais de LEDs de nitreto do grupo III, especialmente iluminação de estado sólido, requerem que a potência de saída óptica seja o mais alta possível. Nas últimas três décadas, motivados por aplicações de alta potência, a pesquisa moderna para LEDs de nitreto, incluindo design e otimização da estrutura epitaxial, estudo do comportamento operacional e mecanismo físico do dispositivo, e melhoria da tecnologia de fabricação, é principalmente focada em chip grande, alta densidade de corrente de trabalho e alta potência de entrada/saída. Em primeiro lugar, a região ativa de LED de nitreto evoluiu da heteroestrutura mais simples e poço quântico único (PQ) no estágio inicial para os atuais poços quânticos múltiplos (PQMs) com 5 períodos de PQs, e o número de PQs pode chegar a 8 ou 10 para vários dispositivos de alta potência comercializados. A EBL foi proposta para bloquear vazamento de elétrons em alta densidade de corrente de injeção, mesmo que também possa impedir a injeção de buracos em certo nível. Para LEDs convencionais de alta potência, a questão mais substancial é a redução da eficiência quântica externa (EQE) com o aumento da densidade de corrente, conhecida como droop de eficiência. O mecanismo intrínseco desse comportamento está relacionado à recombinação Auger indireta em alta densidade de portadores injetados. Quanto à fabricação, geometria de flip-chip de filme fino e injeção vertical são desenvolvidas para expandir o nível de potência de LEDs de nitreto.

Avanços consideráveis foram feitos para LEDs tradicionais de nitreto de grande tamanho e alta potência, e algumas lições aprendidas podem ser aproveitadas para o estudo de micro-LEDs. No entanto, micro-LEDs ainda são muito diferentes de seus contrapartes de alta potência. Os diferentes comportamentos operacionais, mecanismos e condições de micro-LED podem resultar em diferentes desafios e caminhos de pesquisa. Para LEDs tradicionais, o pico de EQE está localizado em alta densidade de corrente, e a densidade de corrente de trabalho é alta e além da eficiência de pico (> 30 A/cm²). Mas para display emissivo micro-LED, a densidade de corrente de trabalho deve ser muito menor e frequentemente na faixa de 0,02 a 2 A/cm². Nesta baixa densidade de corrente, a EQE de LED de nitreto tradicional é muito baixa e não suficiente para aplicações práticas de display micro-LED. Utilizando os benefícios de V-pit para blindar discordâncias e melhorar injeção de buracos, Zhang e colaboradores criaram LEDs eficientes baseados em InGaN com eficiência de pico até 24,0% a 0,8 A/cm². No entanto, os chips de LED reportados por Zhang et al. ainda são limitados ao tamanho tradicional (1 mm × 1 mm), que é muito maior que o de micro-LED. Além disso, muitos trabalhos reportaram que a eficiência quântica interna (IQE) e EQE de micro-LEDs diminuem à medida que o tamanho do chip é reduzido. Essa degradação dependente do tamanho é atribuída principalmente à recombinação não radiativa de Shockley-Read-Hall (SRH) induzida por recombinação de superfície e danos nas paredes laterais induzidos por gravação a seco assistida por plasma. Esses efeitos de parede lateral contribuem para a recombinação não radiativa SRH, então diminuem a eficiência quântica, e tornam-se muito mais sérios com tamanho de chip menor devido à maior área específica de superfície/parede lateral comparada com a região ativa do dispositivo. Para abordar essa questão, passivação de parede lateral usando materiais dielétricos e gravação úmida usando ácido fluorídrico tamponado ou método fotoeletroquímico foram propostos para minimizar esses efeitos a certo nível para micro-LED. No entanto, mesmo melhorados pela passivação de parede lateral, o pico de EQE de micro-LEDs (com tamanho menor que 60 μm) ainda é inferior a 25%, e diminui dramaticamente para poucos por cento em densidade de corrente menor que 2 A/cm². Especialmente para micro-LED vermelho baseado em InGaN, a EQE atualmente reportada é bastante limitada a menos de 1%, devido à forte polarização e má qualidade cristalina. Além disso, com a redução do tamanho do chip, a posição do pico de EQE também se move para densidade de corrente mais alta, o que impedirá ainda mais alta eficiência em baixa densidade de corrente.

Portanto, melhorar a eficiência quântica em baixa densidade de corrente torna-se o grande desafio e questão científica crítica para aplicação de display emissivo micro-LED. Para esse propósito, a eficiência de pico deve ser aumentada, e a posição de início da eficiência deve ser deslocada para uma densidade de corrente apropriadamente mais baixa. Trabalhos anteriores focaram principalmente na melhoria da tecnologia de fabricação como passivação de parede lateral. Para melhorar a eficiência, investigar os comportamentos operacionais e mecanismos físicos de micro-LED em baixa densidade de corrente, que ainda é relativamente inexplorado e carece de compreensão, também é essencial. Além disso, para criar dispositivo que possa melhorar a eficiência em baixa densidade de corrente com valor máximo, a estrutura epitaxial do micro-LED também precisa ser redesenhada e otimizada, que deve ser bastante diferente de seus contrapartes tradicionais de grande tamanho e alta entrada/saída. Por ora, a estrutura epitaxial especificamente projetada para display emissivo micro-LED operando em baixa densidade de corrente permanece carente.

Neste trabalho, os desafios únicos do micro-LED para aplicação de display operando em baixa densidade de corrente são destacados, e soluções potenciais para abordá-los são propostas. Usando o software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices, investigamos numericamente os comportamentos operacionais e mecanismos físicos de micro-LEDs InGaN em várias densidades de corrente de 200 a 0,1 A/cm². O diagrama de bandas, função de onda e campo de polarização são simulados e analisados para o QCSE do micro-LED, e um QCSE mais severo em baixa densidade de corrente é confirmado. Influências do número de PQs, concentração de dopagem do tipo p e EBL de AlGaN no transporte de portadores, correspondência de portadores, recombinação radiativa e eficiência quântica do micro-LED são investigadas sistematicamente. O efeito e mecanismo referentes à recombinação SRH e Auger também são discutidos. Baseado na simulação e análise, uma estrutura epitaxial otimizada especificamente projetada para micro-LED operando em baixa densidade de corrente é proposta.

Estruturas de Dispositivo e Métodos de Simulação

Neste estudo, a estrutura comum de micro-LED azul de InGaN com tamanho de chip retangular de 60 × 60 μm e 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 camada de n-GaN de 200 nm, região ativa de PQMs, EBL de p-Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N de 20 nm e camada de p-GaN de 150 nm. A região ativa de PQMs consiste em 8, 5, 3, 2 ou 1 períodos com PQ de In₀.₂₅Ga₀.₇₅N de 2,5 nm de espessura embutido em barreira quântica (BQ) de In₀.₀₅Ga₀.₉₅N de 10 nm de espessura. A composição de In dos PQMs é ajustada e otimizada para alcançar o comprimento de onda de emissão azul desejado. As concentrações de dopagem de n-GaN, EBL de p-AlGaN e p-GaN são 2 × 10¹⁸ cm⁻³, 3 × 10¹⁸ cm⁻³ e 1 × 10¹⁹ cm⁻³, respectivamente.

As propriedades ópticas e elétricas de micro-LEDs são investigadas numericamente usando o software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices. Na simulação, 50% das densidades de carga de interface causadas por polarização espontânea e piezoelétrica é assumido. Exceto quando especificamente mencionado, a vida útil SRH e coeficiente de recombinação Auger são definidos como 100 ns e 1 × 10⁻³¹ cm⁶·s⁻¹, respectivamente. A razão de deslocamento de banda é assumida 0,7/0,3, 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.

Resultados e Discussões

A eficiência wall-plug (WPE) de LED pode ser expressa como segue: WPE = P_out / (I_op × V) = η_EQE × (ħω / (e × V)) = η_EQE × η_elect, onde P_out denota potência de saída óptica, I_op é a corrente de operação, V é a tensão de acionamento, ħω é a energia do fóton, e η_elect é a eficiência elétrica. EQE η_EQE é produto de eficiência de injeção de corrente (CIE) η_CIE, IQE η_IQE e eficiência de extração de luz (LEE) η_LEE. Além disso, segundo o modelo ABC, η_IQE pode ser expressa como: η_IQE = R_rad / (R_rad + R_SRH + R_Auger), 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 físicos e fatores relacionados.

R_rad e CIE devem ser maximizados, eficiência elétrica e LEE devem ser melhoradas, e recombinações SRH e Auger devem ser reduzidas para melhorar a eficiência geral de micro-LED operando em baixa densidade de corrente. Abordagens de nível de sistema são necessárias para enfrentar todos esses desafios. Exceto extração de luz, esses desafios serão discutidos nas seções seguintes, e soluções potenciais para criar estrutura epitaxial eficiente de micro-LED também serão propostas.

QCSE em Baixa Densidade de Corrente: Campo de Polarização Interno

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

A Figura 2a mostra os diagramas de bandas de energia e as funções de onda de primeiro nível de elétrons e buracos do quinto PQ a 200 e 0,1 A/cm². BQ e PQ experimentam grande curvatura de banda, levando à separação espacial das funções de onda de elétrons e buracos. Além disso, a curvatura de banda é mais forte em baixa densidade de corrente, indicando QCSE mais forte. Este fenômeno é atribuído ao fraco efeito de blindagem com menos portadores de não equilíbrio em baixa densidade de corrente de injeção. A Figura 2b mostra que um QCSE mais severo aumenta a separação espacial das funções de onda de portadores em baixa densidade de corrente, o que leva a menor taxa de recombinação radiativa. As taxas de recombinação radiativa e espectros EL sem e com efeito de polarização, ou seja, sem e com QCSE, são calculadas para mostrar como a separação elétron-buraco quantitativamente reduz a emissão em baixa densidade de corrente. As Figuras 2c, d mostram que a intensidade integral da taxa de recombinação radiativa e intensidade EL são reduzidas aproximadamente 84,0% e 72,3% pelo QCSE, respectivamente. Esses resultados indicam que é mais difícil melhorar a eficiência para micro-LED que para seus primos tradicionais de alta potência devido ao QCSE aprimorado em baixa densidade de corrente.

Além disso, o controle preciso e estável do comprimento de onda de emissão em diferentes densidades de corrente de injeção é crítico para display 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 verde e vermelho que requerem maior composição de In. Como resultado direto do aumento da curvatura de banda em PQs de InGaN com maior composição de In e QCSE mais forte, o deslocamento de comprimento de onda versus densidade de corrente torna-se mais pronunciado devido ao efeito de blindagem. Os espectros EL de micro-LEDs vermelho, verde e azul baseados em InGaN com várias densidades de corrente são calculados para mostrar como o deslocamento espectral afeta pontos de cor no display. A Figura 2e ilustra o diagrama de cromaticidade CIE 1931 (x, y) correspondente. Claramente, a cor da emissão de micro-LEDs RGB muda muito de verde para azul-esverdeado quando a densidade de corrente aumenta. O valor CIE 1931 x cruza de 0,1676 para 0,2084, e o valor y cruza de 0,3891 para 0,3106. Esta mudança substancial de ponto de cor versus densidade de corrente deteriora grandemente o desempenho de display micro-LED.

Muitos relatos sugeriram várias abordagens para suprimir o QCSE, como usar barreiras de superrede ultra-fina InGaN/AlGaN, PQMs InGaN/GaN/AlGaN/GaN com barreira intermédia de GaN, PQMs enrugados, e inserir camada de alívio de tensão antes dos PQMs. Mas QCSE é induzido por propriedades intrínsecas do material de nitreto plano-c. Vários ajustes de PQMs não são suficientes para suprimir completamente este efeito. Recentemente, eficiência decente foi alcançada para LED de nitreto não polar. Se o custo de substrato GaN não polar puder ser reduzido, LED não polar pode ser solução ideal para diminuir QCSE e realizar emissão de cor completa estável.

Transporte e Correspondência de Portadores

A densidade de corrente de elétrons (J_n) e buracos (J_p) pode ser expressa como: J_n = σ_n |E| = n q μ_n |E|, J_p = σ_p |E| = p q μ_p |E|, onde σ_n e σ_p denotam condutividade, n e p são as concentrações, μ_n e μ_p são as mobilidades para elétrons e buracos, respectivamente, e E denota o campo elétrico. Em nitretos, a concentração de buracos é uma ordem de magnitude menor que a de elétrons, e a mobilidade de buracos é duas ordens de magnitude menor que a de elétrons. Essa assimetria de concentração e mobilidade leva ao descompasso de fluxo de portadores (J_n > J_p) e deteriora o desempenho do LED de duas maneiras.

Eficiência de injeção de corrente: Eficiência de injeção de corrente η_CIE representa a razão da corrente de recombinação J_recomb para a corrente total J_total: η_CIE = J_recomb / J_total = (J_n-recomb + J_p-recomb) / (J_n + J_p) = 2 × J_p / (J_n + J_p). J_recomb depende do menor das correntes de portadores, ou seja, corrente de buracos. A equação confirma que o descompasso de portadores (J_n > J_p) limita a maximização da CIE.

Taxa de recombinação radiativa: A taxa de recombinação radiativa R_rad é descrita pela regra de ouro de Fermi. Menos buracos e acúmulo adicional de elétrons no PQ podem levar à expansão da rede cristalina e acúmulo de tensão de tração. Sob essa variação de tensão, as densidades de carga dos níveis quânticos ao redor do máximo da banda de valência são reduzidas. Isso diminui ainda mais a probabilidade de transição óptica e reduz R_rad. Dessa forma, o descompasso local de portadores em um único PQ também limita a IQE.

Nas seções seguintes, as influências do número de PQs, concentração de dopagem do tipo p e estrutura de EBL no transporte de portadores serão analisadas para determinar as melhores condições de correspondência de portadores. Finalmente, uma estrutura epitaxial otimizada para display micro-LED eficiente operando em baixa densidade de corrente será proposta.

Descompasso de Portadores em 5PQs

Primeiro, as propriedades de transporte de portadores de micro-LED azul com 5PQs são simuladas. A distribuição inhomogênea em 5 PQs pode ser observada tanto em altas quanto em baixas densidades de corrente. A mobilidade de elétrons nos PQMs (684 cm²/V·s) é duas ordens de magnitude maior que a mobilidade de buracos (10 cm²/V·s). Portanto, elétrons podem apenas injetar, então passar através dos PQMs sem participar da recombinação, levando ao problema de vazamento de elétrons e baixa CIE.

A Figura 3a mostra a distribuição de densidade de corrente de elétrons e buracos a 200 A/cm². A densidade total de corrente de buracos (217,4 A/cm²) é apenas 65,2% da de elétrons (333,3 A/cm²), indicando descompasso severo de portadores e baixa CIE. A corrente de vazamento de elétrons é tão alta quanto 116,0 A/cm², deteriorando tanto a eficiência radiativa quanto a injeção de buracos. Como mostrado na Fig. 3b, a corrente de vazamento de elétrons é apenas 0,01 A/cm², e a η_CIE calculada é tão alta quanto 95% a 0,1 A/cm². Esses resultados indicam que alcançar alta CIE é mais fácil em baixa densidade de corrente. No entanto, exceto o 5º PQ onde J_p pode ser igual a J_n, o descompasso de portadores e acúmulo adicional de elétrons são bastante severos nos outros quatro PQs (PQ 1, 2, 3 e 4) tanto em alta quanto em baixa densidade de corrente. A 200 A/cm², as densidades de corrente de elétrons desses quatro PQs são 120, 43, 16 e 5 vezes maiores que a de buracos. A 0,1 A/cm², elas são 23, 9, 4 e 2 vezes maiores que a corrente de buracos. Baseado na equação, este grande descompasso de portadores evidentemente diminui a taxa de recombinação radiativa desses quatro PQs. Portanto, as taxas de recombinação radiativa nesses quatro PQs são apenas cerca de 3,4%, 4,0%, 10,1% e 34,2% a 200 A/cm², e 11,3%, 10,1%, 10,7% e 21,2% a 0,1 A/cm² comparadas com o 5º PQ. Esses descompasso de portadores e baixa emissão radiativa finalmente reduzem a eficiência monolítica do micro-LED.

Fatores que Influenciam Transporte e Correspondência de Portadores

Número de PQs: Para LED tradicional de grande tamanho operando em alta densidade de corrente, PQMs com 5, até 8 ou 10 períodos devem ser usados para alcançar alta potência de saída óptica. No entanto, para display emissivo micro-LED, a potência de saída é muito menor e a densidade de corrente de trabalho é muito menor. Como discutido na seção anterior, mesmo em baixa densidade de corrente, o descompasso de portadores permanece bastante severo em 5PQs, e apenas um PQ pode alcançar a melhor condição de correspondência. Dessa perspectiva, para micro-LED operando em baixa densidade de corrente, região ativa com menor número de PQs deve ser design melhor para melhorar a eficiência devido à correspondência de portadores melhorada.

O efeito do número de PQs no micro-LED é investigado para verificar nossa suposição. A Figura 4a–f mostra a densidade de corrente de portadores e taxa de recombinação radiativa a 0,1 A/cm² de LEDs com 3PQs, 2PQs e 1PQ, respectivamente. As curvas de corrente têm apenas um ponto de interseção (um ponto de melhor correspondência de portadores, J_n = J_p) devido à tendência monotonicamente decrescente de corrente, mas com menos PQs, como nos casos de 3PQs e 2PQs, dois pontos de interseção podem ser alcançados em dois PQs diferentes. Em outras palavras, o descompasso de portadores em PQMs pode ser parcialmente superado com menos PQs. Especialmente para 2PQs, com ajuste apropriado, a correspondência perfeita de fluxo de portadores pode ser alcançada em ambos os dois PQs. A taxa de recombinação radiativa também é maior nos 2PQs que 3PQs e 5PQs porque o consumo de portadores pela recombinação radiativa é mais concentrado na região ativa com menos PQs. Indubitavelmente, a melhor correspondência de portadores está no LED com apenas um PQ, e a taxa de recombinação radiativa também é a mais alta para 1PQ.

A Figura 5a, b mostra IQE em função da densidade de corrente entre 0 a 200 A/cm² e 0 a 10 A/cm², respectivamente. Para densidade de corrente maior que 50 A/cm², IQE diminui quando o número de PQs é reduzido. Por outro lado, IQE com densidade de corrente menor que cerca de 30 A/cm² aumenta quando o número de PQs diminui. A 0,1 A/cm², valores de IQE para 8, 5, 3, 2 e 1 PQs são 55%, 62%, 69%, 77% e 78%, respectivamente. Além disso, a posição do pico de IQE também se move de 6,0 A/cm² em 8 PQs para a menor densidade de corrente aproximadamente 1,2 A/cm² em 2PQs. As curvas de IQE em baixa densidade de corrente (< 1 A/cm²) também se tornam mais íngremes e agudas com menor número de PQs, indicando que alcançar a maior eficiência é mais fácil e 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 correspondência de fluxo de portadores e emissão radiativa mais concentrada e forte na região ativa com menor número de PQs. Como mostrado na Fig. 5c, comparado com 8 PQs, a intensidade EL integral de 5, 3, 2 e 1 PQs a 0,1 A/cm² são aumentadas 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 menor número de PQs.

Os resultados de simulação mostram que 1PQ tem a maior intensidade EL e talvez a melhor estrutura para micro-LED operando em baixa densidade de corrente. No entanto, experimentalmente, é difícil crescer epitaxialmente apenas um PQ que tenha superfície plana e interface nítida. Além disso, para a estrutura de 1PQ, a posição do pico de IQE aumenta ligeiramente para 2,9 A/cm², e a forma da curva de IQE também muda ligeiramente. Isso pode ser explicado pela circunstância especial do PQ único. Comparado com outros PQs, o PQ adjacente à EBL tem ambiente de polarização especial e é considerado como "PQ problemático". Este tópico será discutido com mais detalhes na seção de EBL de AlGaN. Considerando essas razões, 2PQs deve ser o melhor design de região ativa, que tem correspondência de fluxo de portadores similarmente boa, valor de IQE próximo e intensidade EL a 1PQ. Portanto, nas seções seguintes, todas as simulações são baseadas no micro-LED com 2PQs.

Concentração de dopagem de P-GaN: O desempenho de LEDs de 2PQs com diferentes concentrações de dopagem do tipo p em p-GaN é investigado. Quando a concentração de dopagem de p-GaN aumenta de 1 × 10¹⁸ cm⁻³ para 5 × 10¹⁹ cm⁻³, as taxas de recombinação radiativa a 0,1 A/cm² aumentam cerca de 3,1% e 3,0% para os dois PQs. A densidade total de corrente de buracos aumenta de 0,157 para 0,162 A/cm², enquanto a densidade de corrente de vazamento de elétrons é reduzida de 0,009 para 0,005 A/cm² com o aumento da dopagem. Vale notar que a corrente de recombinação no PQ próximo ao lado n é maior que no PQ próximo ao lado p. Portanto, a taxa de recombinação radiativa próximo ao PQ do lado n também é ligeiramente maior que a próximo ao PQ do lado p. A barreira de energia para portadores na EBL, definida como distância de energia entre o quasi-nível de Fermi de elétron/buraco e a banda de condução mais alta ou banda de valência mais baixa, são quase inalteradas sob diferentes concentrações de dopagem de p-GaN, ou seja, a injeção de buracos não é melhorada pelo aumento da concentração de dopagem. A concentração média de buracos no p-GaN e PQs mostra que a concentração de buracos no p-GaN é quase exponencialmente dependente da concentração de dopagem. Dentro dos PQs, a concentração de buracos aumenta aproximadamente duas vezes de 1,59 × 10¹⁹ cm⁻³ para 3,08 × 10¹⁹ cm⁻³ com maior dopagem. Esses resultados indicam que o aumento da concentração de buracos é a principal contribuição para a melhoria da recombinação radiativa. Portanto, mesmo em baixa densidade de corrente, o problema de dopagem do tipo p de nitreto permanece notável, e aumentar a eficiência de dopagem e concentração de buracos ainda é benéfico para a eficiência de micro-LED.

EBL de AlGaN: Nas últimas décadas, uma EBL de p-AlGaN de 10–20 nm tornou-se estrutura padrão para LEDs tradicionais baseados em nitreto. Esta EBL é considerada para bloquear vazamento de elétrons e suprimir droop de eficiência sob alta densidade de corrente injetada. Apesar disso, vale notar que a EBL ainda é estrutura muito complicada e sutil para LED. Envolve muitos fatores importantes, incluindo composição de Al, eficiência de dopagem do tipo p de AlGaN, razões de deslocamento de banda, e efeito de polarização. Cada um deles pode influenciar substancialmente a estrutura de bandas e transporte de portadores, então determina a eficácia da EBL. Para a construção de EBL, espessura, composição e concentração de dopagem devem ser consideradas e otimizadas cuidadosamente para equilibrar o aumento do confinamento de elétrons e o bloqueio de injeção de buracos, caso contrário, o oposto pode acontecer, e o desempenho do LED pode deteriorar. Para micro-LED, a eficácia da EBL para operar em baixa densidade de corrente deve ser reconsiderada, que pode ser diferente do caso de LED tradicional de alta entrada/saída.

a. Concentração de dopagem da EBL: Primeiro, o efeito da concentração de dopagem da EBL no transporte de portadores em baixa densidade de corrente é investigado. A espessura e composição de Al da EBL são fixadas como 20 nm e 0,15, respectivamente. Considerando a baixa solubilidade do dopante Mg em AlGaN, degradação cristalina e efeito de compensação por superdopagem, a concentração de dopagem da EBL é primeiro definida como 3 × 10¹⁸ cm⁻³. Claramente, apesar da existência da EBL, o vazamento de elétrons para fora do PQ ainda pode ser causado pelo confinamento insuficiente de elétrons devido à curvatura para baixo do último PQ e EBL. Um novo vale de energia sob o quasi-nível de Fermi de elétrons aparece na interface do último BQ e EBL. Assim, elétrons escapariam do PQ e se acumulariam nessa área. Essa distorção da estrutura de bandas torna a EBL relativamente ineficaz, e pode ser contribuída ao efeito de polarização. A forte polarização induz grande quantidade de cargas nas interfaces. Devido às cargas de polarização não balanceadas serem positivas na interface do último BQ/EBL, um grande campo eletrostático apontando do lado p para o lado n se acumula no último BQ, oposto aos campos nos outros BQs e EBL. Esses campos eletrostáticos puxam para baixo a banda de energia do último BQ e EBL. Além disso, os campos elétricos no último PQ e último BQ ambos podem atrair elétrons e impulsioná-los para fora da região ativa para a camada p. Isso pode ser observado no diagrama de concentração de portadores. A linha tracejada preta indica que parte dos elétrons escapa da região ativa e se acumula na interface do último BQ/EBL. Na EBL e p-GaN, o vazamento de elétrons permanece relativamente alto.

Por outro lado, a EBL também introduz uma barreira de potencial tão alta quanto 480 meV para injeção de buracos. Além disso, um vale de energia próximo ao quasi-nível de Fermi de buracos aparece na região de interface entre EBL/p-GaN devido ao efeito de polarização. A maioria dos buracos é bloqueada pela EBL e assim se acumula no vale de energia da interface EBL/p-GaN. Devido a este transporte de portadores ineficiente, o último PQ é considerado como "PQ problemático", e a EBL só tem baixa capacidade de confinamento de elétrons, e deve ser responsável pela pobre injeção de buracos. Comparado com LED tradicional de alta entrada/saída, esta ineficácia da função da EBL induzida por polarização poderia ser particularmente severa para micro-LED devido ao efeito de polarização aprimorado por menor blindagem de portadores em baixa densidade de corrente.

Engenharia de bandas aumentando a concentração de dopagem da EBL é método possível para melhorar confinamento de elétrons e injeção de buracos. A energia de ativação do dopante Mg em EBL de AlGaN é maior que em GaN, portanto, mesmo sob concentração de dopagem similar, a concentração ativa de buracos na EBL permanece muito menor que p-GaN. A menor concentração de buracos poderia separar ainda mais o quasi-nível de Fermi de buracos e banda de valência, então aumentar altura da barreira. Baseado nesta análise, a concentração de dopagem da EBL precisa ser muito maior que p-GaN. Considerando limitação de dopagem em experimento real, 6 × 10¹⁹ cm⁻³ é selecionada como nova concentração de dopagem na EBL. Ao aumentar a concentração de dopagem, a banda de valência da EBL é elevada devido ao alinhamento do quasi-nível de Fermi de buracos, resultando em barreira de energia de buracos reduzida de 281 meV. Além disso, a alta dopagem do tipo p também ajuda a baixar o quasi-nível de Fermi de elétrons em relação à banda de condução na EBL, aumentando assim a barreira efetiva para vazamento de elétrons para 1175 meV. Essas mudanças melhoram confinamento de elétrons e injeção de buracos. Comparado com concentração de dopagem de 3 × 10¹⁸ cm⁻³, a concentração de buracos na região ativa aumenta grandemente, e o vazamento de elétrons na EBL e p-GaN é reduzido a quase zero. No entanto, o vale de energia na interface entre EBL/p-GaN ainda existe. Além disso, a elevação da banda de valência também introduz novo vale de energia para acúmulo de buracos na interface entre último BQ/EBL, que pode ser confirmado pela distribuição de concentração de buracos. Esses vales de energia podem impedir a injeção de buracos nos PQs, compensando a vantagem da alta concentração de dopagem.

b. Composição de Al da EBL: Comparado com o aumento da concentração de dopagem, reduzir a composição de AlGaN da EBL pode ser método mais fácil e eficiente para melhorar transporte de portadores em baixa densidade de corrente. A eficácia da EBL é sensivelmente dependente da composição de Al, deslocamento de banda e efeito de polarização. Aumentar a composição de Al da EBL pode aumentar o deslocamento de banda entre último BQ/EBL, aumentando altura da barreira de elétrons. No entanto, as cargas induzidas por polarização nas interfaces também aumentam correspondentemente, puxando para baixo a altura da barreira de elétrons. Dois mecanismos têm efeito oposto para confinar elétrons.

Baseado nesta análise, o transporte de portadores de micro-LEDs de 2PQs com diferentes estruturas de EBL a 200 e 0,1 A/cm² são investigados. O resultado de alturas efetivas de barreira de energia de diferentes EBLs é resumido na Tabela 1. Em primeiro lugar, tanto as barreiras de energia de elétrons quanto de buracos em baixa densidade de corrente são muito maiores que nos casos de alta densidade de corrente devido à menor população de portadores de não equilíbrio. Barreira de energia mais alta pode melhorar confinamento de elétrons, mas também impede severamente injeção de buracos em baixa densidade de corrente. Isso indica que a influência da EBL no transporte de portadores de micro-LED operando em baixa densidade de corrente é muito maior que a de LED tradicional de alta entrada/saída. A Tabela 1 também mostra que com composição de Al relativamente baixa na EBL, a barreira de elétrons diminui com aumento da composição de Al, indicando que a curvatura para baixo da banda de condução induzida por efeito de polarização é maior que o aumento do deslocamento de banda introduzido pela maior composição de Al. Ao aumentar ainda mais a composição, a barreira de elétrons aumenta junto com a composição, significando que o deslocamento de banda se torna dominante sobre o efeito de polarização. Comparado com alta densidade de corrente, este ponto de virada de composição é mais alto em baixa densidade de corrente devido ao efeito de polarização aprimorado por menor blindagem de portadores. Por outro lado, devido ao deslocamento de banda original entre último BQ/p-GaN e curvatura de banda, existem barreiras de energia para elétrons e buracos na interface mesmo sem EBL. A 200 A/cm², quando a composição é menor que 0,20, a barreira de energia de elétrons é menor que o caso sem EBL, mas a barreira de buracos é maior aproximadamente 64 meV. A 0,1 A/cm², mesmo com composição maior que 0,20, a barreira de elétrons de EBL de AlGaN (523 meV) ainda é 151 meV menor que o caso sem EBL (674 meV), mas a barreira de buracos aumenta aproximadamente 76 meV de 409 para 485 meV. Esses resultados indicam que tanto o confinamento de elétrons quanto a injeção de buracos poderiam ser deteriorados pela EBL com composição incorreta, especialmente para micro-LED operando em baixa densidade de corrente.

Para análise profunda, estruturas de bandas de micro-LEDs com EBL Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N e sem EBL como representantes são ilustradas. A EBL introduz dois vales de energia na interface do último BQ/EBL e EBL/p-GaN para acúmulo de elétrons e buracos, respectivamente, confirmado pelo diagrama de concentração de portadores. Portanto, o confinamento de elétrons e injeção de buracos são pobres para esta estrutura. Quando a EBL é removida, a barreira de energia para elétrons é aumentada, e o vale de energia para extração e acúmulo de elétrons desaparece. Essas mudanças previnem vazamento de elétrons mais efetivamente. Enquanto isso, a altura da barreira para injeção de buracos é reduzida, e o vale de energia na interface EBL/p-GaN também é removido. Assim, buracos podem transportar diretamente para o PQ sem enfrentar grande obstáculo.

A investigação cuidadosa sugere que sem EBL pode ser estrutura melhor para micro-LED operando em baixa densidade de corrente. Resultados de simulação apoiam nossa sugestão. A Figura 8e ilustra a densidade de corrente de portadores a 0,1 A/cm² com diferentes estruturas de EBL. Quando a composição de Al da EBL é reduzida de 0,15 para 0,04, as densidades totais de corrente de elétrons e buracos aumentam de 0,167 e 0,159 A/cm² para 0,225 e 0,225 A/cm², respectivamente. Além disso, quando a EBL é completamente removida, ambas as densidades totais de corrente de elétrons e buracos aumentam grandemente para 0,528 A/cm², que é aproximadamente 3 vezes maior comparado com EBL Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N. Este aprimoramento é contribuído pelo melhorado confinamento de elétrons e injeção de buracos.

A Figura 8f mostra as curvas de IQE em baixa densidade de corrente. Quando a composição de Al da EBL é reduzida de 0,15 para 0,04, os valores de IQE aumentam evidentemente devido ao transporte de portadores melhorado. No entanto, ao remover a EBL, o valor de IQE experimenta leve diminuição comparado com EBL Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N. Isso pode ser explicado pela correspondência de portadores em dois PQs. Conforme indicado pelas setas verdes, correspondência perfeita de portadores ocorreu em ambos os dois PQs com EBL Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N. Com o aumento da densidade de corrente pela remoção da EBL, a correspondência de fluxo de elétrons e buracos foi ligeiramente quebrada no primeiro PQ, onde a densidade de corrente de elétrons é ligeiramente maior que a de buracos. Portanto, a IQE é ligeiramente reduzida por causa deste descompasso de portadores em um PQ.

A superioridade do micro-LED sem EBL ainda é notável devido ao transporte de portadores melhorado. Como mostrado na Fig. 8g, a 0,1 A/cm², as intensidades EL integrais de micro-LED sem EBL são 3,53, 3,23 e 2,38 vezes maiores comparadas com LED com EBL Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N, Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N e Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N, respectivamente. Além disso, as tensões de trabalho sob 1 A/cm² e 0,1 A/cm² são reduzidas cerca de 0,53 V e 0,57 V pela remoção da EBL, respectivamente. Isso melhora a eficiência elétrica, então finalmente aumenta a WPE do micro-LED. Para confirmar ainda mais que a estrutura sem EBL é design melhor para micro-LED operando em baixa densidade de corrente, outra simulação é realizada usando estrutura de micro-LED azul reportada com eficiência máxima conhecida. Os resultados e discussões podem ser encontrados nos Materiais Suplementares.

Estrutura Otimizada para Micro-LED Operando em Baixa Densidade de Corrente

Baseado na simulação e análise acima, a estrutura epitaxial otimizada especificamente projetada para display emissivo micro-LED eficiente operando em baixa densidade de corrente é proposta. Três princípios devem ser seguidos. Primeiro, em contraste ao LED tradicional de nitreto de grande tamanho e alta potência, o número de PQs do micro-LED deve ser reduzido para apenas dois, que tem melhor condição para correspondência de portadores, emissão radiativa mais concentrada, e maior IQE e WPE. Segundo, a dopagem do tipo p ainda precisa ser aprimorada devido à concentração de buracos e mobilidade relativamente baixas comparadas com elétrons em nitreto, o que demanda estratégia de dopagem do tipo p mais eficiente. Terceiro, para melhorar transporte e correspondência de portadores, a concentração de dopagem de EBL de AlGaN deve ser grandemente aumentada, ou a EBL de AlGaN pode ser completamente removida. Sem usar EBL de AlGaN, o confinamento de elétrons, injeção de buracos, correspondência de portadores, IQE e WPE do micro-LED podem ser grandemente melhorados em baixa densidade de corrente.

Recombinação Auger e Recombinação Não Radiativa SRH

Baseado na equação, exceto recombinação radiativa, recombinações SRH e Auger também desempenham papéis críticos na IQE de LED. Portanto, é importante investigar os efeitos e mecanismo referentes à recombinação SRH e Auger para micro-LED. Nesta parte, a estrutura de LED com 2PQs ainda é usada, e todos os parâmetros de simulação são os mesmos mencionados nos Métodos exceto vidas úteis SRH.

Recombinação Auger Desprezível e Recombinação SRH Proeminente

A taxa de recombinação SRH pode ser expressa. Onde n_i é a concentração intrínseca de portadores, τ_p e τ_n são as vidas úteis SRH de buracos e elétrons, respectivamente, E_T é a diferença de energia entre nível de armadilha e nível de Fermi intrínseco, c_p e c_n são coeficientes de captura para elétrons e buracos, N_t é a densidade de armadilhas, σ_p e σ_n são seções de choque de captura para elétrons e buracos, e ν_p e ν_n são as velocidades térmicas médias de elétrons e buracos, respectivamente. Segundo as equações, a recombinação SRH de uma armadilha é completamente especificada por sua densidade, seções de choque de captura e nível de energia.

A taxa de recombinação Auger é dada por: R_Auger = (C_n n + C_p p)(np - n_i²), onde C_n e C_p são coeficientes de recombinação Auger.

Dado que as concentrações de buracos e elétrons injetados são muito maiores que a concentração intrínseca de portadores nos PQs não dopados (segundo resultado de simulação, a maior concentração de portadores no PQ é apenas aproximadamente 10⁷ cm⁻³ na ausência de corrente injetada externamente), as taxas de recombinação SRH e Auger podem ser simplificadas. As equações mostram claramente que R_SRH é diretamente proporcional à primeira potência da concentração de portadores, mas R_Auger depende da terceira potência da concentração de portadores, ou seja, R_SRH é sensível a baixa densidade de corrente, enquanto R_Auger é mais dominante em alta densidade de corrente.

Esta análise teórica concorda com nossos resultados de simulação. A Figura 10a, b mostra as taxas calculadas de recombinação radiativa, SRH e Auger a 200 e 0,1 A/cm², respectivamente. Em alta densidade de corrente, a taxa de recombinação Auger (cerca de 0,8–1,4 × 10²⁹ cm⁻³·s⁻¹) é comparável à taxa radiativa (cerca de 4,2–6,0 × 10²⁹ cm⁻³·s⁻¹). De fato, o problema substancial de droop de eficiência em altas correntes de acionamento é agora amplamente reconhecido como causado pela recombinação Auger. Enquanto, em baixa densidade de corrente, relativamente, a taxa de recombinação Auger diminui dramaticamente para duas ordens de magnitude menor (cerca de 6,3–7,2 × 10²² cm⁻³·s⁻¹) que a recombinação radiativa (cerca de 3,7–4,0 × 10²⁴ cm⁻³·s⁻¹). Portanto, a recombinação Auger deve ser desprezível em baixa densidade de corrente. Inversamente, com a diminuição da densidade de corrente, a taxa de recombinação SRH relativamente aumenta de um valor pequeno a 200 A/cm² (duas ordens de magnitude menor que recombinação radiativa) para nível comparável com emissão radiativa a 0,1 A/cm². Como resultado, o micro-LED operando em baixa densidade de corrente requer melhoria na recombinação SRH ou de defeitos em vez da recombinação Auger.

Requisito para Baixa Densidade de Defeitos

Segundo a equação, vidas úteis SRH, τ_p e τ_n, são inversamente proporcionais à densidade de defeitos N_t. Portanto, o efeito da densidade de defeitos pode ser estimado simplesmente alterando a vida útil SRH na simulação. A Figura 10c mostra a razão calculada de recombinação SRH/radiativa em várias vidas úteis SRH. Com a diminuição das vidas úteis SRH de 150 para 50 ns, ou seja, aumento da densidade de defeitos, a razão SRH/radiativa aumenta ligeiramente de 0,01 para 0,03 a 200 A/cm², mas aumenta grandemente de 0,15 para 0,43 a 0,1 A/cm². Isso significa que uma porcentagem muito maior de portadores é consumida por defeitos de armadilha em baixa densidade de corrente. Portanto, a eficiência é muito mais sensível à densidade de defeitos em baixa corrente que em alta densidade de corrente. Os resultados de IQE confirmam esta tendência. Com a diminuição das vidas úteis SRH de 150 para 50 ns, IQE diminui apenas cerca de 0,01 a 200 A/cm², mas diminui dramaticamente cerca de 0,17 a 0,1 A/cm². Além disso, com a diminuição da vida útil SRH, a posição do pico de IQE também se move de 3,1 A/cm² para densidade de corrente mais alta de 9,0 A/cm², e as curvas de IQE tornam-se menos íngremes e agudas, o que significa que a corrente de limiar/início é aumentada. Isso é desvantajoso para melhorar a eficiência de micro-LED em baixa densidade de corrente.

Comparado com LED tradicional de grande tamanho e alta potência trabalhando em alta densidade de corrente, o micro-LED operando em baixa densidade de corrente é muito mais sensível à densidade de defeitos, e minimizar a recombinação de defeitos é de importância primordial para alcançar alta eficiência. Portanto, o micro-LED requer qualidade cristalina de materiais muito mais alta que o LED tradicional, e impõe grandes desafios para o crescimento epitaxial do material e fabricação do dispositivo para a comunidade.

Conclusões

Em resumo, os comportamentos operacionais, mecanismos e condições de micro-LED InGaN operando em baixa densidade de corrente são investigados numericamente, e uma estrutura epitaxial otimizada especificamente projetada para display micro-LED é proposta. Análise do efeito de polarização mostra que micro-LED sofre QCSE mais severo em baixa densidade de corrente. Portanto, melhorar a eficiência e controlar o ponto de cor de emissão são mais difíceis. Transporte e correspondência de portadores são analisados para determinar condições operacionais de micro-LED. Mostra-se que menor número de PQs melhora a correspondência de portadores e leva a maior eficiência e potência de saída em baixa densidade de corrente. Eficácia da EBL para micro-LED é analisada, e confinamento de elétrons e injeção de buracos são melhorados simultaneamente em baixa densidade de corrente pela remoção da EBL. Além disso, simulação mostrou que a recombinação Auger é desprezível, mas a recombinação SRH influencia grandemente a eficiência de micro-LED em baixa densidade de corrente, o que elevou requisitos mais altos para qualidade cristalina de materiais e processo de fabricação de dispositivos. Nosso estudo numérico pode fornecer orientação valiosa para criar display micro-LED eficiente e promover pesquisa futura nesta área.