Micro-LED外延结构仿真、器件制备与光电热特性研究

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Micro-LED具有功耗低、效率高、集成度高、体积小、尺寸小、器件电容小、可承受的工作电流密度高等优点,在显示、光通信和植入式生物医疗等领域有巨大的应用前景。相比于传统照明LED,Micro-LED不仅仅是尺寸的缩小,其在发光效率、载流子复合寿命、热效应等方面的特性也有所不同,需要进一步深入的研究。本论文针对Micro-LED的效率提升、发光机理、结温对光电特性的影响等科学问题,系统地开展了外延层结构仿真、器件制备与光电热特性测量等研究工作。论文的主要研究内容和结果如下:1.对不同外延层结构的蓝光Micro-LED的光电特性进行了数值仿真,系统地给出了低电流密度工作的Micro-LED的优化策略。通过依次选用单量子阱(SQW)、去除电子阻挡层(EBL)、使用合适的n侧量子垒(QB)的n掺杂浓度、使用优化的QB材料和量子阱(QW)宽度的步骤逐步优化原始多量子阱Micro-LED结构后,在工作电流密度0.02-2 A/cm~2下获得了高达92.3%的理论内量子效率(IQE)以及在1 A/cm~2获得低至2.72V的理论正向电压。2.制备了倒装结构的集成传感Micro-LED,研究了结温(约120 K至370 K)、电流密度(约0.01 A/cm~2至1000 A/cm~2)、尺寸(19至63μm)对Micro-LED的影响。发现在测量的电流范围内,随着结温的增加,峰值波长都先蓝移后红移,半高宽呈现完整或部分S形变化;在测量的结温范围内,随着电流的增加,峰值波长和半高宽呈现出完整或部分S形变化;可以用束缚激子发光与自由激子发光强度转换、屏蔽量子限制斯塔克效应、带填充效应共同解释;温度升高时自由激子发光比例增加,电流增加时自由激子易被载流子破坏而发光比例下降。此外在相同的电流密度和结温下,随着尺寸增大,峰值波长发生红移,这是因为应力释放更少,量子限制斯塔克效应更强。3.表面复合对本文Micro-LED样品的发光效率影响很大,尺寸越小,表面复合占比越高,从而导致峰值IQE下降以及峰值IQE对应的电流上升。定量分析表明:在本文的外延片和工艺基础上,用外推法可以得出小尺寸LED(8μm)的峰值IQE为64%;如果通过良好的侧壁保护等工艺完全抑制表面复合,则峰值IQE可以提高到超过85%。
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