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【极智课堂】汪炼成:先进GaN基LED器件研究-从半导体照明到Micro-LED显示和可见光通信

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-02-24 23:03   来源:中国半导体照明网  浏览次数:2499

2.24.1

当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰! 

本期,我们邀请到中南大学教授、微电子科学与工程系副主任汪炼成带来了“先进GaN基LED器件研究-从半导体照明到Micro-LED显示和可见光通信”的精彩主题分享,以下为主要内容:
 

一、LED及半导体照明基础和背景

应用于LED的氮化物材料,包括GaN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlGaN二元及多元化合物,它有两个非常显著的特点:一是理论上,通过调节化合物的三族组分比例,III族氮化物半导体可以覆盖整个可见光区域、部分红外线和深紫外线区域;比如In 组分为0.15-0.2左右的InGaN组分在蓝绿光区域,而AlGaN则在紫外区域;二是在整个合金范围内都为直接带隙半导体。这一点非常重要。这两个特点使得氮化物材料非常适合作为发光材料。 

氮化物LED的原理就是电子和空穴分别从n型GaN和p型GaN注入到设定深度的量子阱内,辐射复合而发光。目前氮化物LED的成熟外延材料一般在蓝宝石衬底上形成,依次包括:u-GaN, n 型GaN,多量子经,AlGaN电子阻挡层,p型GaN。

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目前氮化物LED的器件结构主要有正装结构,倒装结构和垂直结构。正装结构LED是最简单的,也是最常见的,因为蓝宝石的绝缘性质,所以通过刻蚀台面把n 型GaN层暴露,然后进一步沉积透明电极,金属电极和侧壁绝缘物,完成器件制作。倒装结构LED则是把正装LED倒扣,倒装焊接到另外基板上,这样就不需要打线,可以更好散热和更高功率。但是正装和倒装结构的蓝宝石衬底都还在,并且电流都是侧向流通,垂直结构则是去掉蓝宝石衬底,将外延层材料转移到异质衬底,比如铜,硅上,实现垂直电流注入和更好的光热电性能。

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氮化物LED看似好像很简单,但实际经历了很长的一个发展历程,主要受限制于两个技术瓶颈:一是蓝宝石和GaN晶格不匹配,使材料质量非常低;二是 p-GaN 一般通过Mg掺杂,但是Mg和生长中的形成络合物。2014诺贝尔物理学奖得主授予了Nakamura, Amano等单位日本科学家,他们通过两步法生长和高温退火激活解决了这两个难题,LED的效率得到显著的提升。氮化物LED的技术进步极大促进了LED的半导体照明技术发展,LED灯具基本流程如图所示,依次为外延,芯片制程,然后封装,模组化成灯具。

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从2004年左右科技部和中科院成立国家级的研发联盟和平台开始,我国半导体照明科研和产业在最近20年都得到了加速的发展。相关团队获得多项国家级的科技奖项,包括李晋闽团队:高光效长寿命半导体照明关键技术与产业化,2019国家科技进步奖一等奖;江风益团队:硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”2015年国家技术发明一等奖。李晋闽团队还获得“低热阻高光效蓝宝石基GaN LED材料外延及芯片技术”,国家科学技术发明二等奖。奖项包括科研和产业,涵盖半导体照明的材料生长,芯片制造和封装各个环节。

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二、Micro-LED显示和可见光通信

GaN LED器件作为半导体照明的核心芯片,半导体照明的发展也促进拉动和催化了LED作为光源器件在其他方向的发展,包括Micro-LED显示和可见光通信。

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1.Micro LED技术特点

Micro LED技术,即LED微缩化和矩阵化技术。指的是在一个芯片上集成高密度微小尺寸的LED阵列,如LED显示屏每一个像素可定址、单独驱动点亮,可看成是户外LED显示屏的微缩版,将像素点距离从毫米级降低至微米级。

相比传统的液晶显示,包括LED背光的液晶显示、OLED显示,Micro LED技术具有诸多特点:

自发光无需背光源(相对LED背光的液晶和量子点显示);电光转换效率更高,功耗低;稳定性好,使用寿命长(相对有机OLED显示);无尺寸发展限制(只需要扩大Micro LED矩阵的数目和尺寸即可,不象液晶显示非常受限于液晶面板的大小,液晶面板的尺寸升级需要巨大的资金投入和技术壁垒);超快速切换时间(Micro LED的切换时间,决定于载流子的复合寿命,主要在ns级,而比如OLED显示,其切换时间在微秒级别)。

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美国德州理工的H. X. Jiang团队在很早报道了Micro LED,10×10 阵列连线布局,目前有中科院半导体所,香港科技大学、深圳南方科技大学,广东半导体研究院,福州大学等;而业界公司有三星、Luxvue、Mikro Mesa、索尼、Playnitrides等。Micro LED技术不断推进:无源驱动到有源驱动,单色显色到全彩显示,低分辨率到高分辨率,单纯显示功能到显示通信功能集成。产业上大公司投资收购动作频频:2014年苹果公司收购Luxvue,Facebook收购沉浸式虚拟现实技术公司Oculus,夏普收购MicroLED的新创公司eLux,Google注资瑞典Micro LED制造商Glo。

2.RGB三色LED法

Micro LED显示在系统技术上主要是全彩化和巨量转移。每个LED脉冲宽度调制(PWM)电流驱动,通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。例如一个8位PWM全彩LED驱动芯片,可以实现单色LED的28=256种调光效果,对于一个含有三色LED的像素理论上可以实现256立方种颜色显示单个像素中的每个LED都有一定的半波宽(半峰宽越窄,LED的显色性越好)和光衰现象,产生LED像素全彩显示的偏差问题。

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3.UV/蓝光LED+发光介质法

将发光介质通过喷涂法在UV/蓝光LED上面,每个单元含有三个发光单元。荧光粉颗粒的尺寸较大,约为1-10微米,随着micro-LED 像素尺寸不断减小,荧光粉涂覆变的愈加不均匀且影响显示质量。

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台湾交通大学郭浩中教授和南方科技大学孙小为教授在量子点彩色化方面做了不少工作。还有其他一些方法,比如三色棱镜法将红、绿、蓝三色的micro-LED阵列分别封装在三块封装板上,并连接一块控制板与一个三色棱镜。通过驱动面板来传输图片信号,调整三色micro-LED阵列的亮度以实现彩色化,并加上光学投影镜头实现微投影。

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Micro-LED显示需要将巨量的micro-LED芯片从母板上转移到具有驱动电路的基板上组装,矩阵化,实现显示功能。巨量转移是个很关键的技术。台湾工研院,苹果,X-celeprint等开发形成了巨量转移的专利和技术,大致是基于静电,范德华力,重力以及卷对卷印刷技术。

X-celeprint的范德华力转印是从美国西北大学院士John Rogers,柔性电子的先驱孵化出来的。转印包括三个物体,印章,芯片和衬底的两个界面,芯片/衬底以及印章/芯片。在拿取芯片的时候,快速提取,使得印章/芯片的界面力大于芯片/衬底的界面力,从而吸取芯片同原衬底分离;在放置的时候,缓慢下降,使印章/芯片的界面力小于芯片/新衬底的界面结合力,于是实现芯片放置和转移。

当然这是个非常不错的技术,但是也许存在可靠性方面问题:一方面,为了减少芯片/原衬底界面结合力,需要蚀刻牺牲等方法底切界面。这对GaN材料其实没那么容易,因为GaN材料很难被蚀刻。另一方面,芯片通过范德华力和新衬底结合的可靠性问题,也许需要更进一步的退火等工艺来加固芯片/新衬底的界面力。总而言之,Micro-LED巨量转移技术应该来说取得了不错的进展,但是在可靠性,良率和转移速度等方面还需要进一步提高。

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4.可见光通信技术

可见光通信通过人眼识别不了的高频来控制LED灯的明暗,明代表1,暗代表0,接收端通过传感器来接收光信号,传输二进制信号。

可见光通信具有以下优点:

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国内外的研究机构对可见光通信进行了你追我赶式的研究。可见光通信技术国内外研究进展代表性成果如下图:

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产业化方面,英国爱丁堡大学hass教授组孵化出来的purelifi 公司和法国的oledcomm公司。purelifi 公司和英国电信商沃达丰合作,进行了可见共通信的一些应用场景展示,他们也提供解决方案。oledcomm公司开发了可见光通信的模块,所谓的LiFiMAX® Discovery Kit,可以安装在房间屋顶,然后插上类似U盘,可以实现可见通信的家居和办公。

可见光通信的进一步发展还需要突破或者考虑:1.技术数据上行;2.功能通照、通显一体化系统;3. 应用场景突破;4. 可见光污染防控;5.光源带宽拓展

除了Micro-LED显示和可见光通信的LED新应用LED在植入式光疗,柔性显示,高质量的半导体照明等其他新的应用方面,LED器件本身面临问题和挑战。需要针对具体应用,对LED器件研发和设计。并不是一个LED器件可以包打天下,能满足所有需要,那不现实也不太可能。

三、LED器件新应用面临问题和挑战

总的来说,在包括高质量半导体照明、Micro-LED显示、可见光通信、柔性显示和植入式生物医疗等应用场景,LED器件本身面临发光侧壁效应,发光半高宽,柔性制造和可靠性,发光光束,直调速率,集成系统,显色性和效率等问题和挑战。

1.  问题和挑战-1:Micro-LED 侧壁效应

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传统LED面积比较大,其具有数百微米的边缘侧壁,侧壁效应中并不重要。Micro-LED尺寸非常小,侧壁效应显著甚至是致命的。Micro led制作过程中的干法蚀刻会引入很多的侧壁缺陷,会成为表面复合和非辐射复合的通道,导致发光效率降低和发光均匀性等问题。下图来自河北工业大学张紫辉教授的optics express文章,可以看出,当传统led和micro led具有绝对面积一样的侧壁时,micro led的效率会急剧降低。

Micro LED的峰值效率通常低于10%,而Micro LED通常必须以非常低的电流密度运行,所以Micro LED效率非常低,功耗比例大。提高效率的办法包括引入新的Micro LED芯片设计,使得Micro LED在额定工作电流下可以具有比较高的效率,另外要改进Micro LED制造技术,包括刻蚀工艺优化,表面钝化层沉积等。

2.  问题和挑战-2 :Micro-LED光束调控

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LED 光为近似琅勃光源,它的发光辐射强度和亮度等呈现琅勃分布规律。随着Micro LED像素缩小,侧壁面积占整体表面积比增大,侧壁发光占据很大成分,不可忽视。

在Micro显示中影响比较大,会带来比较大的串扰效应:(1)RGB三芯片彩色化中,Micro LED像素单元发光会串扰到相邻像素,而此像素LED可能为关闭的,这就会影响相邻像素的黑色水平,因为理想情况此像素是完全关闭不发光显示的,从而影响显示的对比度,黑色水平;(2)对光致荧光(QD)彩色化Micro LED显示来说,同一个像素单元的比如蓝光Micro LED发光可能会激发同一像素里的红绿色荧光粉,降低显示的色纯度、饱和度等。Micro LED 光束调控不仅包括Micro LED本身发光光束的调控,也包括光致彩色光的光束调控和管理。

Micro LED 显示与 LED-LCD,QD-LCD,或薄膜OLED, QD LED主动发光均不同,适合点阵式Micro LED 显示的光束调控(非相干光波动光学调控、琅勃光源几何光学调控、结构设计制造,如侧壁反射膜,围坝等)。LED的光谱半高宽有20nm左右,在时域和频域是非相干的;空间出光琅勃分布,在空间也是非相干的。现在研究比较多的metasurface等一般是基于相干光的激光的光束整形,即beam shaping, 对非相关LED光的metasurface,共振腔等波动光学调控还需要进行探索和研究。

几何光学调控主要是芯片的塑形,Micro LED芯片主要是矩形的,基于矩形的比如侧壁塑形,甚至不同形状芯片,比如六边形、三角形等将对它的光束光场分布产生影响,并且产生的效果和传统LED不太一样的效果。

Micro LED芯片结构设计和制造,包括几何光学的一些比如侧壁塑形,也包括比如侧壁反射镜,底部反射镜等结构设计制造。台湾交通大学郭浩中教授在photonics research 上报道了基于光刻胶的围坝结构和工艺,就是在Micro LED芯片周围喷涂一圈光刻胶,吸收侧壁发出的光,从而降低像素串扰。

Micro LED芯片的光束调控和用于显示的串扰因素可能还同具体的Micro LED芯片结构、尺寸以及Micro LED阵列的间距等相关。LED外延材料差不多6-10微米厚,当前Micro LED尺寸可以到10微米甚至以下,Micro LED芯片的尺寸和厚度相当,而一般蓝宝石衬底在100微米以上,Micro LED芯片用于Micro LED显示还是必然要把蓝宝石衬底去除,一般是通过倒装或者垂直结构LED,再激光剥离,这样就把芯片有源层倒置在下面了,也就是有源层离表面有芯片的厚度,6-10微米厚。在越小间距情况下,相邻像素和像素内不同色彩单元的串扰,相比有源区如果在芯片顶部的话会越严重。这是Micro LED芯片和尺寸,间距的可能影响。

3.  问题和挑战-3: Micro-LED直调速率

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Micro LED面试具有快速切换能力,由于载流子复合寿命ns级别(300MHz),相比OLED μs提高。但5G+4K显示和可见光通信应用仍需进一步提高;目前可见光通信Micro LED极高电流密度(KA/cm2)获得小的差分载流子寿命(效率低,散热难,实际应用认为不可取)。

影响GaN LED直调速率的因素有:

(1)材料:GaN/InGaN量子阱压电极化场,使电子和空穴分开(半极性、非极性材料,微纳结构LED)
(2)器件:常规大面积器件(200μm)大的电容,RC效应[Micro-LED]。
(3)白光LED器件:斯托克斯转换慢,荧光发光慢[新型荧光材料(QD、Conjure polymer),三色LED]
(4)Purcell效应(光学共振腔、等离激元)利用。
(5)激光器、超辐射二极管通信(不同于Micro-LED,有电流阈值,电流密度高)

另外,可以通过利用purcell效应来提高发光效率和调制速度。Purcell效应告诉我们,物质的发光性能不仅仅由物质本身性质决定,同时也受到环境模式太密度的影响。基于此,可以设计人工结构,比如共振强和金属等离激元来提高LED直调速率。金属等离激元是由于具有很小的模式体积,而共振腔的品质因子很高。南京大学刘斌教授课题组在等离激元增强发光方面做了很多漂亮的工作。但也正由于等离激元的模式体积小的特点,使得它的作用距离比较短,需要使金属等离激元离有源区的距离比较近,这会增加器件短路的风险。另外,金属本身会使发光quench, 因此需要平衡purcell增强和发光quench两方面的因素。

基于激光器、超辐射二极管可见光通信有不少报道,光源带宽和通信速率得到极大增强,但是激光器、超辐射二极管都存在电流阈值,工作电流密度高,同时结构复杂,光照面积大小,人体潜在危害性比较大。LED在这方面具有优势。

4.  问题和挑战-4:Micro-LED发光半高宽

Micro-LED发光半高宽会影响Micro LED显示的对比度。对于RGB三芯片彩色化:Micro LED发光半高宽影响显示色阈、色纯度;光致荧光(QD)彩色化:Micro LED发光影响蓝色色阈。虽然Micro LED发光半高宽目前为20nm左右,能有一个比较好的显示效果。但是进一步提高显示阈值和色纯度等,还需要降低半高宽。

可能有人会觉得直接用激光器就是,因为激光器具有极窄的半高宽,但是Micro LED结构简单,没有电流驱动阈值。基于激光芯片的DMD投影和电视最近有很多产品,包括海信等,但是也有他的问题,而且和Micro LED显示是完全不同的技术路线了。而激光芯片直接像素显示似乎无人报道,技术难度,功耗,驱动控制等问题很大。另外,Micro LED显示单像素点的亮度并不需要很大,所以激光的高强度并无必要。

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5.  问题和挑战-5:柔性制造和可靠性

柔性Micro LED在柔性显示、植入式生物医疗等有潜在应用。柔性显示目前应用基本上是基于有机AMOLED材料和技术。美国西北大学John Rogers组,通过Laser lift off和Transfer Printing, 将Micro LED在柔性显示、植入式生物医疗。但是正如在巨量转移技术中讨论的,需要将GaN/衬底界面先底切蚀刻,才能实行转印。而GaN/衬底界面是比较难以蚀刻的,这增加了柔性制造和转移的困难以及可靠性,成功率和工艺复杂性。

iBeam Materials公司报道了基于金属薄膜衬底的直接外延生长(GaN-on-metal),制造柔性LED。但是并无更多的相关LED质量,良率等方面的继续报道。总之,柔性LED和Micro存在制造工艺复杂性、可靠性、效率和良率等问题。

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6.  问题和挑战-6:发光效率和显色性

这里发光效率指白光LED的流明效率。半导体照明经过快速的发展,其发光效率已经可以达到250lm/W以上。随着进一步的深化和要求提高,半导体照明的质量要求也在提高,包括显色性,色温等。

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但是白光LED发光效率和显色性存在平衡矛盾:人眼峰值相应550nm,理论上在此波长下可以获得最大的发光效率,但是提高 CRI需要扩展光谱, 而这将降低发光效率。如何降低白光LED发光效率droop,如何在维持甚至提高其显色指数下提高发光效率是个需要探讨研究的问题。

7.  问题和挑战-7:LED光电/光系统集成

LED光电/光系统集成对本身LED器件的结构性能等提出要求。LED光电/光系统集成包括照明、显示和光通信的功能集成,如显通、照通、显照甚至显照通,高效高显色性、高分辨率高对比度和高速宽带宽的性能集成,大功率、高密度和高频驱动的结构集成。GaN 材料和Si等材料的异质材料集成, GaN LED和Si CMOS、GaN HEMT等功能单芯片集成,三维/曲面/柔性异质复杂结构形态集成。GaN LED和探测器、光波导等片上光通信集成。

 

四、课题组先进LED器件研究进展

我们主要是围绕先进LED器件,面向在半导体照明,可见共通信和Micro LED显示方面的器件问题和挑战,从器件物理,器件结构和器件工艺,进行协同设计制造和分析,研发比如低功耗,高光效,快速调制LED器件,也取得了一点点的成果。

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1. 研究进展-I:低电压LED

主要是从金属半导体接触:机制、工艺,欧姆接触是影响LED电压和功耗的重要因素。通过原位高温沉积,选择性蚀刻沉积,原位插入层等工艺解决p-GaN 功函数大、接触电阻大、氮极性面GaN金属接触等问题,实现世界最低、接近理论极限值的LED正向工作电压VF (2.75V@350mA, 3.04V@1000  mA)—传统商业LED 3.2V@350mA。 这是LED电压晶圆扫描图,可以看出90%的LED器件电压在2.8-2.9V,非常高的良率。

低功耗LED实现得益于各个界面的接触电阻的降低,各个击破。对于激光剥离后的N极性面的欧姆接触,我们比较了平整N面和湿法蚀刻后粗化N面,发现平整N面具有更低的比接触电阻率,到-6级别。这是由于激光剥离造成界面一些缺陷,可以作为界面的隧穿通道。

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在p-GaN面,我们通过原位高温沉积Ni/Ag/Pt/Au,同时获得了低比接触电阻率,-5级别,高反射率和高黏附性的p面欧姆接触反射镜,我们理解分析主要是通过控制金属原子的横向和纵向迁移。

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我们也研究了石墨烯透明电极在LED里应用。由于石墨烯和p-GaN具有比较高的势垒差,导致较大的势垒高度和电阻。通过在石墨烯和p-GaN间插入金属纳米颗粒,外界掺杂等作用,有效降低了界面电阻。

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另外也通过原位生长pn隧穿结,刻克服了石墨烯和p-GaN直接接触,获得的TJ LED+Grap:3.99 V@20 mA, LOP = 10.8 mW,而Ref LED+ITO:3.36 V@20 mA, LOP = 12.6 mW。

电流扩展是个很古老的话题,但是对于LED器件电压的降低和效率的提升非常的重要。但是对于电流扩展与效率droop的关系还没有一个定量化的研究。传统的ABC效率模型默认载流子,电流在LED器件是均匀分布的,但其实电流分布是不均匀的。

我们在这里把电流扩展的因素代入到传统ABC模型,得到了电流扩展与效率droop的关系,并且明确了:一是电流扩展长度是纵向比接触电阻率,和横向接触电阻的比值开方。这对于我们进行LED电极设计非常重要。二是LED的wall plug效率并不是纵向比接触电阻率越小越好,因为越小,不利于电流的横向扩展,会影响LED的效率。当然也不能大,增加LED的工作电压。所以对于wall plug效率来说,纵向比接触电阻率存在最佳值。

2.研究进展-II:微纳LED制造

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针对大面积,多形态微纳表面结构快速制造难技术问题,我们开发了胶体特尔伯特光刻和低成本高效大面积无缺陷 (120μm2)自组装微纳制造的工艺。LED光功率提高到原来的2.5倍。

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3.研究进展-III:柔性Micro-LED

基于N 极性面湿法蚀刻技术,我们制作了垂直结构金字塔Micro LED。由于湿法蚀刻使应力得到释放,同时减薄铜衬底,我们展示了基于铜衬底的垂直结构柔性LED。前面Ibeam material 采用的是在金属衬底上直接生长制作柔性LED,我们是基于传统蓝宝石衬底,在垂直结构LED工艺路线的基础上结合N 极性面湿法蚀刻技术,石墨烯透明电极互联技术等。

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柔性垂直结构金字塔Micro LED是建立在我们对GaN材料N 极性面湿法蚀刻比较深入的研究基础上。我们对蚀刻温度,浓度等条件下GaN材料N 极性面蚀刻规律进行了研究,并且展示了N 极性面湿法蚀刻蓝宝石和GaN界面,从而分离蓝宝石衬底和GaN。基于N 极性面湿法蚀刻技术,我们还制作了垂直结构金字塔micro LED,柔性垂直结构金字塔micro LED是在这个基础上的进一步尝试。

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4.研究进展-IV:发光快速调制LED

(1)更快蓝光多纳米结构 LED:针对大面积LED有源发光区压电极化问题,通过设计多纳米结构,用胶体特尔伯特光刻方法制造纳米柱、纳米孔、纳米环LED,释放应力,载流子复合寿命从最高17.1ns降至6.7ns, 光致发光强度增加1倍。

(2)全湿法蚀刻制造垂直结构金字塔微腔 Micro-Emitter:用全湿法蚀刻新制造方法制造垂直结构金字塔微腔 Micro-LED:具有良好光学限制、有利电注入实现 、散热好优点,金字塔微腔目前已实现光泵浦激射,Q≈6070,显示在直调速率方面潜力。

(3)更快调制nanohole-LED和白光LED;量子点/Ag NMs 填入nanohole  array中:LED量子阱中电子空穴对与量子点的非辐射能量转移路径来克服斯托克斯速度慢。Ag NMs 金属表面等离激元调制:Purcell效应,匹配LED与Ag NMs的吸收峰,提高载流子的复合速率。

(4)高带宽和显色指数单芯片无荧光粉白光LED;针对有源区压电极化和荧光粉问题,提出自组装InGaN量子点有源区结构实现无荧光粉单芯片白光LED:1)比传统量子阱有源区应力减小,提高载流子的复合速度;2)利用In的不同迁移聚集得到大小形状不一的InGaN量子点,代表着不同程度的In局域化,获得宽谱白光。此器件低电流密度下高3dB调制带宽:在电流密度为72A/cm2时达到最大3dB调制带宽为154MHz,远高于现在一般白光LED(10MHz),光色电参数相对色温为6253K,显色指数=72。

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(5)快速调制白光LED:针对传统白光LED斯托克斯转换和荧光延时问题,对荧光粉结构创新:1)宽谱绿色荧光粉(LuAG:Ce)结合窄谱红色量子点(CdSe/ZnS):实现具有高显色指数、光谱可有效调控的全光谱白光;2)引入Ag、Au复合纳米颗粒:使金属表面等离激元共振峰与蓝光芯片和绿色荧光粉的发射峰对应,提高直调速率和光转换速度。此项工作美国光学快报杂志Feature article,英国专业媒体杂志《Semiconductor today》在线报道。

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5.研究进展-V:光束整形LED

光束整形方面,我们提出了垂直共振腔Micro-LED。关键词是垂直结构,共振腔和Micro,使得器件具有不同于传统垂直结构LED, 传统RC LED,以及常规Micro-LED,具有比较优异的光电和热性能:光束调控方向更直,光谱更窄,波导模式抑制使效率更高,垂直结构铜衬底使散热性能更好。

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另外,我们在波动光学氮化物metasurface 光束调控上做了一些初级探索性工作,利用导模共振,通过调节结构的参数,宽谱氮化物meta-reflector;基于小尺寸衍射相位理论,制作氮化物metalens,实现了紫外聚焦与成像。现在的波段在紫外波段,有待扩展到非相干LED可见光。另外也正在研究基于micro LED的几何光学shaping设计等工作。

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总结:

1)半导体照明用LED成熟发展期,而新型显示、可见光通信、柔性显示和植入式光疗器件等除了巨量转移等关键技术外,也对GaN基LED元器件本身性能提出了更多的要求。

2)Micro-LED不仅仅是传统LED尺寸的缩小,在光束、光效、载流子复合寿命等方面性能上差别较大。

3)先进GaN基LED元器件,不仅仅在于效率,直调速率、发光光束、发光光谱、显色性以及柔性制造及可靠性,系统集成等方面研发提升应用空间还很大。

4)中南大学宽禁带半导体课题组将持续先进LED器件研发,特别感谢中科院半导体所等合作单位的长期支持和帮助。也感谢联盟的邀请,很高兴有这个宝贵的机会和大家分享GaN基LED器件方面的内容,也希望与大家一起交流讨论。

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【嘉宾简介】

汪炼成,中南大学教授,微电子科学与工程系副主任;先后在中科院半导体研究所, 新加坡南洋理工大学,新加坡科技大学和英国谢菲尔德大学从事博士和博士后研究工作,2017年回国在中南大学建设了第三代半导体实验室和团队,致力于第三代半导体器件和系统的研究。在GaN基 LED器件方面有十余年的研究经验,主要成果有:性能国内领先、国际一流垂直结构LED,石墨烯透明电极在LED中应用,和适应于高质量半导体照明、显示和可见光通信的先进LED器件。工作数次被专业媒体如Compound Semiconductor、Semiconductor Today 报道,获最佳年轻研究人员(英国物理协会,半导体科学与技术杂志,2018)、湖湘高层次创新人才(湖南省科技厅,2018)、CASA第三代半导体卓越创新青年(国家第三代半导体联盟,2019)等荣誉和奖励。

(文字根据直播内容编辑整理,略有删减)

问答环节

目前Micro LED技术产业化应用还存在诸多挑战,对于其潜在应用或未来市场开发您怎么理解?

汪炼成:个人比较浅显的理解是可能在一些比较小尺寸、单色显示的应用场合会首先实现突破。比如手表的显示,据了解有企业在研发将Micro LED显示技术用于手表,应该会有产品出现。

产业化角度,三星、索尼等都开发了Micro LED概念性电视,但是成本还非常高,对于普通消费者还难以接受,更多处于概念性展示阶段。不过,随着巨量转移技术的成熟和其他方面成本的降低,相信Micro LED显示产品价格会逐渐降低,至少会进入到高端显示的行列市场。

生外延长中In组分不均匀也会造成发光均匀性的问题,这个问题目前有没有得到比较好的控制?

汪炼成:对于GaN/InGaN 量子阱来说,In组分都应该是分布不均匀的,因为In存在一个局域化效应,但In组分不均匀应该不会造成发光的不均匀性,因为In组分不均匀属于微观层面,发光则偏宏观层面。但In组分不均匀可能会造成光谱的展宽,甚至会造成发光多峰的现象。


 
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