Повышенные оптические характеристики GaN микро-светодиодов с использованием одного пористого слоя

Содержание

• 1. Введение и обзор
• 2. Основная технология и методология
  • 2.1 Структура и изготовление устройства
  • 2.2 Роль пористого слоя
  • 2.3 Вариации геометрии мезы
• 3. Экспериментальные результаты и анализ
  • 3.1 Усиление световой интенсивности
  • 3.2 Сужение спектральной линии
  • 3.3 Зависимость характеристик от геометрии
• 4. Технические детали и математический аппарат
• 5. Аналитическая структура и пример применения
• 6. Ключевые выводы и аналитическая перспектива
• 7. Будущие применения и направления развития
• 8. Список литературы

1. Введение и обзор

Микро-светодиоды (Micro-LED) на основе нитрида галлия (GaN) являются ключевыми элементами для дисплеев следующего поколения, дополненной/виртуальной реальности (AR/VR) и систем видимой оптической связи. Однако при уменьшении размеров устройств до микрометрового масштаба возникает "эффект зависимости эффективности от размера", при котором безызлучательная рекомбинация на поверхности резко снижает световую эффективность. Данное исследование предлагает новое решение: интеграцию одного пористого слоя GaN под активной областью. Эта структура улучшает удержание света и модифицирует спонтанное излучение, что приводит к значительному увеличению световой интенсивности примерно в 22 раза и существенному сужению спектра излучения, особенно в мезах полигональной формы.

2. Основная технология и методология

2.1 Структура и изготовление устройства

Устройства были изготовлены на основе модифицированной эпитаксиальной структуры зеленого светодиода. Ключевым нововведением является включение высоколегированного n-GaN слоя под множественными квантовыми ямами InGaN/GaN (MQW). Впоследствии этот слой был преобразован в пористый слой GaN методом электрохимического травления. Этот процесс создает сеть нанопор, эффективно снижая эффективный показатель преломления слоя. По сравнению со сложными стеками распределенных брэгговских отражателей (DBR), этот однослойный подход упрощает изготовление и благоприятствует продольной проводимости тока.

2.2 Роль пористого слоя

Пористый слой действует как область с низким показателем преломления, создавая контраст с окружающим GaN. Этот контраст усиливает поперечное оптическое удержание в активной области, уменьшая утечку света и более эффективно направляя фотоны к верхней излучающей поверхности. Механизм аналогичен созданию внутреннего оптического волновода, что повышает вероятность извлечения фотонов.

2.3 Вариации геометрии мезы

В исследовании изучались устройства с круглой, квадратной и шестиугольной формой мезы. Теоретически предполагается, что полигональные формы (квадрат и шестиугольник) лучше поддерживают оптические резонансные моды благодаря своим фасетным боковым стенкам, которые могут действовать как слабые отражатели, дополнительно усиливая взаимодействие света с веществом внутри микрорезонатора, образованного мезой и пористым слоем.

3. Экспериментальные результаты и анализ

3.1 Усиление световой интенсивности

Наиболее впечатляющим результатом является приблизительно 22-кратное увеличение световой интенсивности для микро-светодиодов с пористым слоем по сравнению с их аналогами без пор. Это напрямую решает ключевую проблему эффекта зависимости эффективности от размера, доказывая эффективность пористого слоя в восстановлении светового потока от устройств малого масштаба.

3.2 Сужение спектральной линии

Было отмечено значительное уменьшение ширины спектра излучения на полувысоте (FWHM), особенно в полигональных устройствах. Это сужение указывает на переход от чисто спонтанного излучения к режиму с эффектами резонансного резонатора, где предпочтение отдается определенным оптическим модам, что приводит к спектрально более чистому излучению. Это критически важно для дисплейных приложений, требующих высокой чистоты цвета.

3.3 Зависимость характеристик от геометрии

Экспериментальные данные показали, что квадратные и шестиугольные пористые микро-светодиоды демонстрировали более выраженные характеристики резонансного излучения, чем круглые. Острые углы и прямые края полигонов, вероятно, обеспечивают лучшую оптическую обратную связь, поддерживая шепчущие галерейные моды или другие резонансы резонатора, которые усиливают направленность излучения и спектральный контроль.

4. Технические детали и математический аппарат

Усиление можно частично объяснить с помощью коэффициента оптического удержания ($\Gamma$) и эффекта Парселла. Пористый слой изменяет профиль эффективного показателя преломления, увеличивая поперечный коэффициент удержания для мод в активной области. Коэффициент Парселла ($F_p$), описывающий изменение скорости спонтанного излучения в резонаторе, задается формулой:

$F_p = \frac{3}{4\pi^2} \left(\frac{\lambda}{n}\right)^3 \frac{Q}{V_{mode}}$

Где $\lambda$ — длина волны излучения, $n$ — показатель преломления, $Q$ — добротность, а $V_{mode}$ — модальный объем. Полигональная меза с пористым слоем, вероятно, увеличивает $Q$ (из-за лучшего удержания) и уменьшает $V_{mode}$, что приводит к увеличению $F_p$ и, следовательно, к более быстрому и эффективному спонтанному излучению. Сужение спектра напрямую связано с увеличением добротности ($Q$-фактора) резонатора.

5. Аналитическая структура и пример применения

Структура для оценки стратегий улучшения микро-светодиодов:

1. Идентификация проблемы: Количественная оценка эффекта зависимости эффективности от размера (например, внешняя квантовая эффективность в зависимости от площади мезы).
2. Механизм решения: Классификация подхода: Пассивация поверхности, Фотонный кристалл, Резонансный резонатор (DBR, Пористый слой), Волновод.
3. Ключевые метрики: Определение измеряемых выходных параметров: Световая интенсивность (кд/А), Внешняя квантовая эффективность (%), Ширина на полувысоте (нм), Угол обзора.
4. Сложность изготовления: Оценка технологических этапов, допусков совмещения и совместимости с массовым производством.
5. Масштабируемость и интеграция: Оценка осуществимости решения для высокоплотных массивов пикселей и полноцветных дисплеев.

Пример применения: Применение этой структуры к представленной работе: Решение с пористым слоем получает высокие оценки за решение основной проблемы (усиление интенсивности в 22 раза) и упрощение изготовления (один слой против DBR). Его масштабируемость для RGB микро-дисплеев требует дальнейшего изучения зависимости травления пор от длины волны и равномерности инжекции тока.

6. Ключевые выводы и аналитическая перспектива

Ключевой вывод: Это не просто постепенное повышение эффективности; это стратегический поворот от сложных, требующих сложной эпитаксии DBR к более простой, определяемой травлением фотонной структуре. Усиление в 22 раза демонстрирует, что управление поперечной утечкой фотонов так же критично, как и вертикальное извлечение для светодиодов микромасштаба. Настоящим прорывом является достижение эффектов, подобных резонансному резонатору (сужение FWHM), без формального многослойного резонатора, что бросает вызов преобладающей в области догме проектирования.

Логическая последовательность: Логика исследования обоснована: выявить падение эффективности, вызванное размером → выдвинуть гипотезу, что поперечное удержание света является ключевым ограничением → реализовать низкоиндексный пористый слой как поперечный оптический барьер → подтвердить измерениями интенсивности и спектра. Исследование геометрии является логичным следующим шагом для изучения резонансных эффектов.

Сильные стороны и недостатки: Сильная сторона, несомненно, заключается в показателях производительности и простоте изготовления, что напоминает о том, как прорывные решения часто возникают из упрощения существующих сложных систем (например, переход от сложных многопереходных солнечных элементов к перовскитным однопереходным конструкциям). Однако сохраняются серьезные недостатки. В статье ничего не говорится об электрических характеристиках: каково влияние на прямое напряжение, ток утечки или надежность? Пористые полупроводники могут быть печально известны повышенной безызлучательной рекомбинацией на поверхности пор, если они не идеально пассивированы. Более того, долгосрочная стабильность этих нанопористых структур при работе с высокой плотностью тока — обязательное условие для дисплеев — вообще не рассматривается. В работе также отсутствует прямое сравнение с современным RCLED на основе DBR по ключевым метрикам, таким как эффективность преобразования электроэнергии в свет.

Практические рекомендации: Для производителей дисплеев это перспективный технологический модуль, заслуживающий пилотного внедрения. Следующим немедленным шагом должны быть строгие испытания на надежность (HTOL, ESD) и интеграция в прототип монохромного микро-дисплея для оценки однородности пикселей и перекрестных помех. Для исследователей путь ясен: 1) Провести детальные исследования электролюминесценции в импульсном режиме для разделения тепловых эффектов. 2) Использовать моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD) для картирования точных оптических мод в этих полигональных пористых резонаторах. 3) Исследовать синергию этого пористого слоя с другими методами, такими как связь с поверхностными плазмонами или цветопреобразование на перовскитах, для создания сверхвысокоэффективных полноцветных пикселей. Игнорирование электрических вопросов и вопросов надежности было бы критической ошибкой при коммерциализации.

7. Будущие применения и направления развития

• Высокояркие микро-дисплеи: Для AR-очков и дисплеев ближнего поля, где размер пикселя мал, а требования к яркости экстремальны.
• Сверхвысокое разрешение прямого просмотра LED-дисплеев: Обеспечение более мелких и эффективных пикселей для LED-экранов с малым шагом и потребительских телевизоров.
• Видимая оптическая связь (VLC): Более узкая ширина линии и усиленная интенсивность могут улучшить отношение сигнал/шум и скорость передачи данных.
• Внутрисхемные оптические соединения: Микро-светодиоды как эффективные источники света для кремниевой фотоники.
• Будущие исследования: Расширение техники на синие и красные микро-светодиоды, интеграция специфичных для длины волны пористых конструкций для полноцветных модулей и исследование 3D пористых фотонных кристаллов для максимального управления светом.

8. Список литературы

1. Nakamura, S., et al. "The Blue Laser Diode: The Complete Story." Springer, 2000.
2. Day, J., et al. "Full-Scale Self-Emissive Micro-LED Displays." Journal of the SID, 2019.
3. Lin, J. Y., et al. "Micro-LED Technology and Applications." Nature Photonics, 2023.
4. Li, C., et al. "GaN-based RCLED with nanoporous GaN/n-GaN DBR." Optics Express, 2020.
5. Schubert, E. F. "Light-Emitting Diodes." Cambridge University Press, 2006. (Теория эффекта Парселла).
6. International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) - More Moore & Beyond CMOS, 2022 Edition. IEEE.
7. Исследовательские отчеты по микро-светодиодам от Yole Développement и DSCC.