三星新成果：高效InGaN纳米级蓝色LEDs！| 前沿应用

2022-09-14 22:20:02, SSC HORIBA科学仪器事业部

研究背景

氮化铟镓(InGaN)基微发光二极管(μLEDs)因其高效率、高亮度和高稳定性而适合于满足日益增长的高性能显示需求。然而，μLED 存在一个很大的问题，即外量子效率随着尺寸的减小而下降。

第一作者：Mihyang Sheen, Yunhyuk Ko, Dong-uk Kim

通讯作者：Mihyang Sheen，Changhee Lee

通讯单位：Samsung Display

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04933-5

为了克服尺寸相关的 EQE 下降问题，本文通过各种分析研究了 GaN 表面和侧壁钝化层之间的相互作用。使钝化过程中产生的点缺陷最小化是制造高性能 nLED 的关键。值得注意的是，溶胶-凝胶法有利于钝化，因为二氧化硅纳米颗粒吸附在 GaN 表面，从而最小化了其原子相互作用。本文所制备的 nLED 的 EQE 值为 20.2%±0.6% ，是迄今报道的纳米级 LED 的最高值。这项工作为制造自发光 nLED 显示器开辟了新道路，这种显示器可以成为下一代显示器的使能技术。

图文介绍

图 1 |nLED的制造及其光学特性。

要点：

图1a-c显示了由铟锡氧化物 (ITO)/p-GaN/MQW/n-GaN 结构组成的 nLED 的制备工艺和表面处理。8对InGaN/GaN 多量子阱生长在4英寸的c-面蓝宝石衬底上。本文采用纳米压印光刻技术制备了直径约为600 nm 的纳米棒图案，然后采用电感耦合等离子体反应离子刻蚀技术对其进行干法刻蚀。随后，进行了氢氧化钾(KOH)湿法蚀刻，以消除干法蚀刻过程中的侧壁损伤。由于m平面表面的高刻蚀势垒指数，本文的纳米棒的形状从梯形转变为垂直圆柱体，而且纳米棒的表面变得光滑(图1b)。

本文比较了经不同钝化方法钝化的纳米棒的荧光图像和荧光激发-发射光谱(图1d)和全色(λ= 300-700 nm)化学发光图像(图1e)；传统的等离子体增强AlD沉积二氧化硅(左)和溶胶-凝胶沉积二氧化硅(右)。本文选择了等离子体增强的 AlD SiO₂作为参考，以与溶胶-凝胶 SiO₂进行比较，尽管它的EQE略低于热致 AlD SiO₂，因为它具有更好的薄膜质量。

与热 ALD 工艺相比，等离子体增强型 ALD 产生了放气率较低的 SiO₂层，这会导致在操作期间产生缺陷而降低了器件的整体效率。当采用溶胶-凝胶法进行 SiO₂钝化时，在图1d中可以清楚地观察到蓝光发射比黄光发射的增强。溶胶-凝胶 SiO₂钝化纳米棒的蓝色发射强度大约是等离子体增强的 AlD SiO₂钝化纳米棒的13倍(图1f)。

图 2 | nLED 的电致发光和电流-密度-电压曲线随表面钝化方法的变化：等离子体增强 ALD 和溶胶-凝胶 SiO₂沉积。

要点

图2a显示了根据钝化方法在像素内的单个 nLED 的 EL 和 PL 合成图像。像素由与透明导电金属并联的 nLED 组成。由于水平排列的nLED的电致发光由于波导反射而沿径向和纵向发射，因此在纳米棒的顶部和底部分别观察到明亮的蓝色和相对较暗的发射区。

从水平横跨 nLED 顶端的区域获得的电致发光强度分布证实了溶胶-凝胶SiO₂钝化纳米棒的电致发光强度高于等离子体增强的 AlD-SiO₂钝化纳米棒(图2b)。图2c比较了每种表面钝化类型的 nLED 的 EQE 曲线。每条曲线从 60 像素阵列获得，并且每个像素分别包括平均六个和九个 nLED，用于等离子体增强型 ALD 二氧化硅和溶胶-凝胶二氧化硅。

在低于阈值电压下(图2d，e)，具有溶胶-凝胶二氧化硅的 nLED 显示出比等离子体增强的 ALD 二氧化硅更低的漏电流，这是由于侧壁损伤的平行电阻分量所致。这与采用溶胶-凝胶 SiO₂的nLED的理想因子与等离子体增强的 ALD SiO₂的理想因子的降低是一致的(图2f)。通常，LED 的理想系数随其表观结构而变化很大。然而，本文已经证明，理想因子也可以通过钝化方法去显著地进行改变。溶胶-凝胶二氧化硅纳米棒理想因子的降低意味着有效的 SRH 重组的降低，从而使 IQE 增加到80%以上。

图 3 |在每个制造步骤后对 nLED 进行表面分析。

要点

图3显示了纳米棒侧壁和绝缘体之间的界面的分析结果。通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜( HAADF-STEM )成像(图3a)，本文跟踪了 MQW 区侧壁的形貌和原子结构在每个制造步骤后的演变。在对外延层进行干法刻蚀后，由于表面的冲击能差，纳米棒呈现出梯形。白色箭头表示侧壁的无定形区域，这是由于连续的离子轰击而形成的。然而，在 KOH 湿法刻蚀后，由于 p-GaN 的刻蚀速度慢于n-GaN 的刻蚀速度，纳米棒形成了倒梯形的形状。

图3b、c显示了XPS结果。Ga 3d 的核能级谱可以解卷积为 Ga-N、Ga-O 和 Ga-Ga 键。Ga 3d 态比(图3c)清楚地表明，在等离子体增强的 AlD-SiO₂纳米棒中，Ga-O 键最高，而在溶胶-凝胶 SiO₂纳米棒中最低。

图 4 |不同钝化方法制备的InGaN量子阱侧壁缺陷。

要点

图4显示了从InGaN量子阱的体区和表面区获得的两个有代表性的电子能量损失谱的详细比较。对于块体InGaN，N-K-edge电子能量损失近边结构(ELNES)可分解为A、B、C和D四种贡献。对于用Sol-Gel SiO₂钝化的InGaN，本文观察到的体区和表面区的N-K ELNES的光谱特征几乎相似(图4b中的上图)。与用溶胶-凝胶法钝化的InGaN相比，等离子体增强ALD钝化InGaN表面区的N-K ELNES (红线)的光谱特征发生了显著的变化：在第二和第三峰之间出现了小峰，第三峰的化学位移(标记为C)向较低的能量移动(红移)。

为了从理论上验证观察到的N-K ELNES的光谱特征，本文研究了3 × 4 × 2 GaN超晶胞中的V_G_a-O_N-2H络合物，并且对其进行了密度泛函理论计算，它对应于能量最有利的与O和H络合的VGA点缺陷。V_G_a-O_N-2H复合体引起的主要变化是：在大约405 eV(图4b最底部的面板)的第三个峰(C)向较低的能量移动了约0.4 eV，并且在大约403 eV的B和C之间出现了一个小的肩峰，这与实验结果一致。

文章小结

综上所述，本文采用溶胶-凝胶SiO₂钝化的方法制备了峰值EQE为20.2±0.6%的蓝色InGaN nLED。利用介电泳力将纳米棒排列在预制图案化的电极上，并通过每个像素中的透明电极并行连接。本文证明了传统的等离子体增强ALD钝化导致InGaN量子阱表面的非晶化，并在GaN纳米棒的侧壁上产生点缺陷，从而增加了SRH复合，并在纳米棒的InGaN侧壁产生了NRC区。由于SiO₂纳米粒子在溶胶-凝胶反应后被吸附在GaN表面，因此Sol-Gel工艺为GaN表面提供了有效的钝化。因此，原子与GaN表面的相互作用被最小化，只有表面的悬垂键被钝化，导致了低漏电流，最终减小了NRC区和高的EQE，文中称，本研究的发现将加速nLED在下一代显示器中的应用。

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