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240 nm AlGaN-based deep ultraviolet micro-LEDs: size effect versus edge effect

Shunpeng Lu, Jiangxiao Bai, Hongbo Li, Ke Jiang, Jianwei Ben, Shanli Zhang, Zi-Hui Zhang, Xiaojuan Sun, Dabing Li

J. Semicond.  2024, 45(1): 012504  

doi: 10.1088/1674-4926/45/1/012504

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  内容简介   

AlGaN基深紫外micro-LED具有光效高、寿命长、空间分辨率高、调制带宽高、节能环保等优势，在紫外保密通讯等领域具有重大应用潜力。此外，波长短于250 nm的深紫外光随波长缩短，对人体的伤害减小，可极大扩展深紫外micro-LED应用场景。然而，倒装结构的micro-LED在高电流密度应用场景下由于发光台面边缘电流聚集，严重影响器件光效和使用寿命。电流聚集的根源在于n-AlGaN材料的低电导率限制电流均匀分布。对于波长短于250 nm的深紫外micro-LED，其Al组分高于70%，n-AlGaN的电导率降低，电流集聚导致其光效降低。此外，短波深紫micro-LED TM光占比高，光提取效率低，进一步降低了其光效。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵、孙晓娟研究员团队研制了波长为240 nm的深紫外micro-LED，并通过侧壁工程提高量子效率及光提取效率，实现了峰值光功率提高了81.83%。首先，针对240 nm深紫外micro-LED TM光占比高、光提取效率低的问题，提出倾斜高反射台面增强侧壁光提取的方法，通过30°角倾斜台面侧壁（如图1a、1b所示）及侧壁处Al反射结构（如图1c所示）设计，实现了micro-LED尺寸从50 μm缩小到25 μm，光提取效率提高了26.21%。其次，针对短波深紫外micro-LED电流在台面边缘集聚的问题，提出通过延长发光台面侧壁总周长的方法缓解电流拥挤效应，通过micro-LED阵列化、小型化，进而增大侧壁总周长（如图2c-e所示），提高了电流分布均匀性，降低局域化自发热，最终实现了随着micro-LED发光台面半径尺寸从50 μm缩小到25 μm，电流为9 mA处的外量子效率提高了145.86%，峰值光功率提高了81.83%（如图2a所示）。

图 1. 尺寸为12.5 μm 的micro-LED (a) 发光台面及 (b) 沿半径方向的横断面侧壁倾角的SEM图。图 (b) 中的插图为倾斜台面为30° 时对TM光提取效率增强的原理。(c) 为micro-LED 的FDTD仿真模型。图(d)-(f) 分别为R = 50.0 μm、25.0 μm和12.5 μm 的micro-LED的TE光的电场分布图。图(g)-(i) 分别为R = 50.0 μm、25.0 μm和12.5 μm 的micro-LED的TM光的电场分布图。

通过控制micro-LED阵列中单颗micro-LED的光强及曝光时间，可以制备不同形状的3D掩膜图形，该方法的优势是无需掩膜版，且可以任意控制不同微区的曝光剂量，进而一次性制备所需的3D形貌，极大降低成本，提高效率，并可制备复杂结构三维形貌。另一方面，深紫外micro-LED由于调制带宽高、小巧轻便，且深紫外光不受电磁屏蔽影响，在非视距保密通讯中具有重要应用前景。此外，深紫外micro-LED可以制备图形化杀菌光源，根据伤口的形状发出特定图案的光，应用于手术机器人或手术过程中自动杀菌装置。

该文章以题为“240 nm AlGaN-based deep ultraviolet micro-LEDs: size effect versus edge effect”并作为封面文章发表在Journal of Semiconductor上。  作者简介   

吕顺鹏，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员，博士生导师。

目前任职于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。博士毕业于新加坡南洋理工大学，机电与电子工程专业。目前主要研究方向为三族氮化物宽禁带半导体材料的MOCVD外延及深紫外micro-LED。

孙晓娟，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员，博士生导师。

博士毕业于中国科学院长春光机所，凝聚态物理专业。目前主要研究领域为三族氮化物宽禁带半导体相关物理机理、材料及光电子器件。

黎大兵，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员，博士生导师。

2004年博士毕业于中国科学院半导体研究所，并于2008年以博士后及访问学者身份在日本三重大学从事研究工作。目前主要研究领域为三族氮化物宽禁带半导体相关物理机理、材料及光电子器件。