量子效率測試：Micro-LED量子效率的研究進展

纖鋅礦GaN作為第三代半導(dǎo)體發(fā)光材料，具有合適的帶隙、高的擊穿電壓、優(yōu)良的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率及抗輻射能力等特點，適合制作耐高溫、抗輻射的大功率發(fā)光半導(dǎo)體器件。隨著理論研究與制造技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光二極管（light-emitting diode, LED）的應(yīng)用領(lǐng)域由最初的照明領(lǐng)域逐步拓展至顯示領(lǐng)域，這就對LED的性能提出了更高的要求。目前，LED主要朝著小尺寸、高功率、柔性可折疊等方向演化。

01 傳統(tǒng)LED、Mini-LED、Micro-LED

傳統(tǒng)LED、Mini-LED、Micro-LED是依據(jù)尺寸來區(qū)別的。一般來說，傳統(tǒng)LED的橫向尺寸大于200μm，Mini-LED的橫向尺寸為100～200μm，Micro-LED的橫向尺寸小于100μm，尺寸的減小不僅代表功耗的降低，而且還可以帶來超高的分辨率、不可比擬的亮度、更快的響應(yīng)時間、更長的使用壽命。顯示器性能見表1。Micro-LED在顯示、通信、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。

表 1主流顯示器與Micro-LED顯示器性能對比

Micro-LED發(fā)展過程中，始終受到生產(chǎn)良率與尺寸效應(yīng)影響，其光電轉(zhuǎn)化效率較低，而且隨著芯片尺寸的減小其效率也呈斷崖式下降。此外，相比于傳統(tǒng)發(fā)光技術(shù)，Micro-LED管芯單元與管芯間距更小，這就要求其具有比較高的亮度。高亮度則需要Micro-LED管芯在大注入電流下工作。增大注入電流，會引起電流擁擠效應(yīng)，其光電轉(zhuǎn)化效率會進一步發(fā)生衰減；并且，這種效應(yīng)會隨著電流增大而進一步加劇。因此，如何提升Micro-LED光電轉(zhuǎn)化效率及亮度成為業(yè)內(nèi)的研究熱點。

02 Micro-LED量子效率

光電轉(zhuǎn)化效率是評價LED等電致發(fā)光器件性能的重要參數(shù)。電能輸入到LED，最后以光與熱的形式輸出，光電轉(zhuǎn)化效率較低就意味著電能大多轉(zhuǎn)化為熱能。熱量積聚會導(dǎo)致管芯溫度的升高，從而直接影響管芯的穩(wěn)定性及壽命。Micro-LED光電轉(zhuǎn)化效率可以用量子效率來表示，主要由內(nèi)量子效率（internal quantum efficiency, IQE）、光提取效率（light extraction efficiency, LEE）、外量子效率（external quantum efficiency, EQE）3個部分構(gòu)成，見式（1）～式（3）。

式中：ηIQE為內(nèi)量子效率；ηEQE為外量子效率；ηLEE為光提取效率、PINT為有源區(qū)發(fā)出的光功率；P為輻射到環(huán)境的光功率；h為普朗克常量；v為光的頻率；I為注入電流；e為電子電荷。內(nèi)量子效率決定輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)量，但產(chǎn)生的光子并不能全部輻射到外部空間，在發(fā)射過程中，一部分會被管芯本身吸收，另一部分被折射回管芯內(nèi)部，兩者最終都以熱的形式散失。光提取效率反映發(fā)光結(jié)構(gòu)的合理性。外量子效率是評價LED綜合性能的指標(biāo)，也是三者中唯一能夠通過試驗測試出來的。但究其根本，內(nèi)量子效率的提升將直接影響管芯的整體性能。

03 內(nèi)量子效率

GaN基LED發(fā)光結(jié)構(gòu)主要由n-GaN、p-GaN、GaN/InGaN量子阱3個部分組成（見圖1）。電子和空穴在量子阱處發(fā)生復(fù)合，釋放能量。LED中電子和空穴的復(fù)合分為輻射復(fù)合與非輻射復(fù)合兩種方式。在量子阱內(nèi)，電子被1個位于能帶內(nèi)的游離狀態(tài)的空穴俘獲，并發(fā)生復(fù)合，同時放出能量為hν的光子，該過程稱為輻射復(fù)合。電子與空穴復(fù)合過程中，若能量以光能以外的形式釋放，則該過程稱為非輻射復(fù)合，非輻射復(fù)合主要有shockley-read-hall（SRH）復(fù)合、俄歇復(fù)合以及深能級復(fù)合等。

圖 1管芯3種封裝結(jié)構(gòu)模型

Micro-LED 的工作原理本質(zhì)上是pn結(jié)在正向電壓下電致發(fā)光，是由pn結(jié)內(nèi)部注入少數(shù)載流子且在特定能級發(fā)生輻射復(fù)合，該過程通過電子與空穴在有源區(qū)直接輻射復(fù)合產(chǎn)生光子，所以內(nèi)量子效率直接受輻射復(fù)合的電子?空穴對的數(shù)量影響。GaN內(nèi)部的極性、內(nèi)應(yīng)變、量子阱材料晶格匹配度等都會影響電子、空穴的產(chǎn)生與復(fù)合。此外，GaN材料的生長質(zhì)量對輻射復(fù)合影響很大。材料中的位錯、空位等缺陷處能量較高，能夠作為非輻射復(fù)合中心俘獲電子或空穴，能量以熱能的形式損耗。載流子對量子效率的影響也不容忽視。量子阱內(nèi)的電子略多于空穴時，輻射復(fù)合率較高；但如果電子過多，則容易泄漏出有源區(qū)，并直接在有源區(qū)外發(fā)生非輻射復(fù)合，從而導(dǎo)致輻射效率下降。

電子與空穴復(fù)合時，如果把能量或動量通過碰撞轉(zhuǎn)移給其他粒子并產(chǎn)生熱效應(yīng)，造成該粒子發(fā)生躍遷，此復(fù)合過程稱為俄歇復(fù)合。此外，如果管芯材料生長過程中存在大量缺陷，電子與空穴很容易被缺陷俘獲，從而發(fā)生SRH復(fù)合與深能級復(fù)合。這3種非輻射復(fù)合是導(dǎo)致電致發(fā)光半導(dǎo)體器件內(nèi)量子效率損失的根本原因。目前內(nèi)量子效率很難在試驗中測量，只能依靠經(jīng)驗公式進行推導(dǎo)。業(yè)內(nèi)普遍認可ABC內(nèi)量子效率計算模型（式4）。2017年Olivier等利用該模型計算了低溫下GaN基LED內(nèi)量子效率隨尺寸的變化，計算結(jié)果表明，B與C對尺寸的依賴性不大，A對尺寸的依賴性較大。通過檢測外量子效率的試驗方法佐證，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與試驗結(jié)果差別甚微。

式中：n為載流子濃度；A為SRH復(fù)合相關(guān)系數(shù)；B為輻射復(fù)合相關(guān)系數(shù)；C為俄歇復(fù)合相關(guān)系數(shù)。

計算理論的深入研究與計算機技術(shù)的進步也為計算內(nèi)量子效率提供了便捷，特別是有限元思想引入半導(dǎo)體后，使得計算Micro-LED內(nèi)量子效率簡單了許多。借助有限元多物理場仿真可以很快地計算出量子效率，同時可以創(chuàng)新優(yōu)化所設(shè)計的結(jié)構(gòu)，預(yù)測相應(yīng)的試驗結(jié)果，但是有限元只能計算特定ABC系數(shù)下的內(nèi)量子效率，無法理解深層次的微觀機制，特別是GaN內(nèi)部極化及缺陷狀態(tài)、有源區(qū)晶格失配現(xiàn)象等原子微觀結(jié)構(gòu)，這就無法將材料本征參數(shù)與計算系數(shù)聯(lián)系成有機的整體。

04 光提取效率

Micro-LED有源區(qū)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子從管芯結(jié)構(gòu)逸出到外部空間需要經(jīng)過復(fù)雜的路徑，光子逃逸的每一步都會因半導(dǎo)體材料、電極、襯底等部件的吸收而損失一部分光子。此外，由于管芯結(jié)構(gòu)中材料的折射率與自由空間的折射率存在較大差異（nGaN=2.47，nair=1.00），根據(jù)菲涅爾損耗效應(yīng)和全反射定律，某些角度范圍內(nèi)的光子在管芯結(jié)構(gòu)和自由空間的分界面處被全反射回半導(dǎo)體內(nèi)，這就限制了GaN基Micro-LED光提取效率的提升。

LED出光過程中，無論是射向出光面和側(cè)壁的光子，還是射向襯底及非出光面的光子，不僅會發(fā)生全反射現(xiàn)象，同時也會發(fā)生菲涅爾損耗效應(yīng)。如果忽略2次以上的反射，只考慮界面的影響，且假設(shè)所有的光線都是垂直入射，垂直反射時，有如下公式：

式中：Pr為出射光的功率；nGaN為管芯結(jié)構(gòu)中材料的折射率；nair為自由空間的折射率；Pin為入射光的功率。代入式中各項的數(shù)值，得：

以上結(jié)果表明，對于普通管芯結(jié)構(gòu)，即使不存在全反射效應(yīng)以及其他損耗因素，僅菲涅爾損耗效應(yīng)的存在，從LED有源區(qū)產(chǎn)生的光子就有相當(dāng)一部分不能順利逸出到自由空間，直接限制了量子效率的提高。

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審核編輯 黃宇