技术前沿｜美成功开发单片集成的三色LED

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CNLED网编译 基于铟镓氮化物（InGaN）多量子阱的应变工程，美国密歇根大学已经开发出单片集成的琥珀-绿-蓝色LED（图1）。该应变工程是通过蚀刻不同直径的纳米柱来实现。

图1 各种直径的纳米柱LED阵列自上向下制造示意图

研究人员希望未来能用635nm光致发光的量子阱生产出红-绿-蓝LED，为基于这种像素LED的微显示器提供可行的方法。其他潜在应用包括照明、生物传感器和光遗传学。

除了美国国家科学基金会（NSF）的支持外，三星还为制造和设备设计提供了支持。研究人员希望开发出基于现有制造基础设施的芯片级多色LED平台。

外延材料通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在2英寸无图案蓝宝石上生长。发光有源区域由5个2.5nm InGaN阱组成，由12nm GaN栅极隔开。电子阻挡层和p-接触层分别由20nm的氮化铝镓(p-Al0.2Ga0.8N)和150nm的p-GaN组成。

使用电子束光刻使纳米柱成型，用镍掩模进行混合干湿法蚀刻处理。大部分蚀刻是干的电感耦合等离子体，湿法蚀刻阶段用于实现最终直径，并且去除干法蚀刻步骤中的损害。蚀刻深度约为300nm。在整个制造过程中，保护蚀刻掩模，目的是为了保护p-GaN表面。

在对50nm氮化硅进行等离子体增强化学气相沉积（PECVD）之后，用旋涂式玻璃对结构进行平整，以电隔离n和p-GaN部分。

将平整后的结构进行干式回蚀，以暴露柱的尖端。用硝酸溶液除去镍掩模材料。 p接触的镍/金金属化在空气中进行热退火。

设备的电气性能在5V反向偏压下显示出每像素约3x10-7A的低泄漏。低泄漏归因于两个因素——扁平量子阱提供了低电流拥挤效应，以及由应变引发的载流子到纳米柱中心的限制。在较窄的纳米柱中由于更大的电流密度造成的下降效应的风险，可通过减小应变进行改善，因此降低了由于III-氮化物中化学键的电荷极化引起的电场而出现的量子限制“斯塔克效应”。

像素由具有不同直径、发出不同颜色的柱构成（图2）。随着直径的增加，波长变长，变化更大。研究人员将变化归因于晶圆上量子阱厚度的变化。

图2

（a）从50nm、100nm和800nm直径的纳米柱和薄膜LED像素获得的蓝色（487nm）、绿色（512nm）、橙色（575nm）和琥珀色（600nm）光的室温电致发光光谱。

（b）采用一维应力松弛理论得出的光波长。（c）各种施加偏置电压下的主峰位置。

随着电压和电流注入的增加，越来越宽松的窄纳米管也显示较少的波长蓝移。 800nm直径纳米柱像素的蓝移在2.8V和4V之间为40nm。这归功于研究团队筛选阱中依赖于应变的压电场。

该团队通过脉冲频率调制固定偏置电压及改变强度，因此来稳定像素的输出波长。通过这个试验表明，所有像素类型给出了稳定的波长和相对电致发光强度，其与脉冲信号的占空比呈现几乎线性地变化。脉冲宽度为400μs。 脉冲频率在200Hz和2000Hz之间变化。