研究背景

目前，Micro-LED在显示技术领域有许多问题亟待解决，如更小尺寸的Micro-LED器件对其制备的工艺、设备要求更高，以及实现全彩显示和巨量转移等技术难题。其中，实现全彩显示，特别是高发光效率的GaN基红光Micro-LED对该技术领域具有重要的意义。

当前显示使用均为AlInGaP基红光Mini-LED，虽然发光效率略高，但是当尺寸进一步减小，表面复合加剧，效率将大幅下降。并且，AlInGaP材料存在脆弱易碎、转移难度大等问题。相比较而言，氮化物半导体LED的表面复合速度低，且同为蓝、绿光的InGaN材料坚实稳定，又因同一材料而降低了转移难度。所以红光GaN基Micro-LED在该方面具有独特的优势。但是，GaN基红光LED的外延生长极为困难。一方面，高In组分InGaN和GaN之间的晶格失配很大，失配位错密度将非常高；另一方面，提高InGaN量子阱中In组分，需要降低生长温度（一般远低于生长蓝、绿光量子阱），造成原子的迁移能力降低，会增加缺陷引起表面粗化。两者都将导致其发光效率的急剧下降。

研究创新

 在最近的Applied Physics Express国际期刊上，UCSB（加州大学圣芭芭拉分校）的Nakamura（中村修二，诺贝尔奖获得者）教授团队报道了GaN基红光LED的最新进展，提出一种通过引入驰豫的InGaN/GaN超晶格缓冲层结构来提升红光InGaN量子阱外延温度的新方法，打开了研究高效GaN基红光LED的新篇章。（文章信息：Philip, Chan., Vincent, Rienzi., Norleakvisoth, Lim. et al. Demonstration of relaxed InGaN-based red LEDs grown with high active region temperature.Applied Physics Express 14,101002(2021).

该团队利用InGaN的热分解实现驰豫，在720℃下生长3nm厚的InGaN分解层和4nm厚的GaN帽层，然后升温至930℃生长了包括5个周期超晶格的分解停止层结构，每个周期包括18nm厚InGaN和2nm厚GaN。在此高温生长过程中，高In组分InGaN分解层分解形成空洞，使分解停止层实现应变弛豫，从而作为后续 LED外延的模板。在该模板上，团队在900℃生长110nm厚的InGaN/GaN超晶格缓冲层，得益于分解停止层的驰豫效果，在该缓冲层上生长的有源区的量  子阱InGaN的外延温度可以提升至870℃（报道最高红光外延的温度，该温度已达到蓝光的常规外延温度）。文中生长了8对阱宽2.5nm和垒宽6nm的多量子阱，如图1所示。

图1 GaN基红光LED外延结构和100Acm-2电流密度下发光照片

    该外延片制作的器件的性能如图2所示，测试显示，在20Acm-2下，峰值波长为714nm，电压为2.2V；而在200Acm-2下的峰值波长蓝移至633nm，电压为4.2V，此时的半高宽为69nm，从背面出射计算的外量子效率也仅0.05%。这很可能是外延生长中高In组分下相对较差的表面形貌导致的。但是，此项工作还是为高质量、高In组分有源区的高温生长提供了可期待的技术方案，让大家看到红光GaN基Micro-LED商业化的曙光。

图2  GaN基红光LED的器件性能随电流密度的变化

（a）光谱（b）峰值波长和半高宽（c）电压和功率（d）背出射的外量子效率

江苏第三代半导体研究院有限公司（以下简称研究院）是由江苏省、苏州市、苏州工业园区与第三代半导体产业技术创新战略联盟和研究院核心运营团队共建的新型研发机构，2019年7月注册于苏州工业园区。研究院以培育发展第三代半导体技术应用产业为目标，聚焦第三代半导体在新型显示、5G 通信、电力电子、环境与健康等领域的应用，开展第三代半导体高质量材料制备技术、器件外延技术、芯片工艺技术、应用模块设计与集成技术、相关装备技术等关键共性技术研发和成果转移转化。

在新型显示方面，研究院创新性的开发基于同质外延GaN基Micro-LED，专注于高晶体质量、低缺陷密度和零外应力的外延材料为其核心技术。2021年研究院与东南大学、中科院纳米所和南昌大学等实力单位成功获得“面向RGB三色Micro-LED应用的宽组分InGaN材料生长关键技术研究”江苏省重点研发计划项目。

2021年江苏省重点研发计划项目清单

最新进展

经过不到一年的开发，研究院已形成了GaN基同质Micro-LED外延结构，并实现了蓝光、绿光、黄光和橙光。发光波长覆盖450nm-600nm，In组分范围15%-30%，并持续在Micro-LED的光效和其他性能方面不断优化，以期为Micro-LED产业化提供新的解决方案。

研究院GaN基同质外延Micro-LED

参考文献

Philip, Chan., Vincent, Rienzi., Norleakvisoth, Lim. et al. Demonstration of relaxed InGaN-based red LEDs grown with high active region temperature.Applied Physics Express 14,101002(2021).

https://doi.org/10.35848/1882-0786/ac251d