研究背景
到目前为止，实现高效率的微米或纳米级光电子器件仍然具有极大的挑战性，如与Micro-LED相关的efficiency cliff，即随着尺寸的减小，器件效率急剧下降。由于具有超高亮度、低功耗、超高集成密度、高稳定性和长寿命等优点，Micro-LED是新兴的虚拟/增强现实设备和系统的重要组成部分。如图1所示，对于基于AlGaInP的大面积LED(横向尺寸>100μm)，通常测量的外量子效率(EQE)在50%-70%的范围内，而对于横向尺寸为10μm的器件，效率下降到可以忽略的值。
图1：以前报道的一些红色发光二极管的峰值外量子效率(EQE)的变化，表明存在efficiency cliff，即随着器件尺寸的减小，效率显著降低。
众所周知，Ga(In)N基异质结相比于AlGaInP基材料具有更强的载流子限制，更小的载流子扩散长度，以及更低的表面复合速率。然而，InN和GaN之间较大的晶格失配阻碍了高质量的InGaN量子阱异质结的实现，这些异质结构在深可见光，即黄色、橙色和红色光谱中发射。因此，传统的InGaN量子阱LED的效率随波长的增加而急剧下降。此外，随着器件尺寸的减小，刻蚀引起的表面损伤所造成的efficiency cliff 比 AlInGaP红光LED更严重。
研究内容
在最近的Photonics Research国际期刊上，Pandey等人首次报道了一种N极性InGaN/GaN纳米线亚微米级尺度LED的红光发射，它可以克服传统红光微光LED的效率悬崖。（文章信息：Pandey A, Malhotra Y, Wang P, et al. N-polar InGaN/GaN nanowires: overcoming the efficiency cliff of red-emitting micro-LEDs. Photonics Research, Optica Publishing Group, 2022, 10(4): 1107–1116.）
该团队首次报道了工作在可见光下的N极InGaN/GaN纳米线亚微米LED的设计、外延和性能特性，开发了一种独特的方法来有效地调节N极InGaN/GaN纳米线的发射波长。通过改变材料的流量和生长温度，可以将发光波长从黄色移至橙色和红色。通过InGaN有源区（active region）的原位退火工艺，将发光效率提高一个数量级以上，减少缺陷的形成。制备了横向尺寸小到0.75μm的InGaN的LEDs，由大约5根InGaN纳米线组成，并对其进行了表征。对于未封装的亚微米级尺度器件，测得最大EQE为1.2%，与传统的InGaN量子阱橙红微发光二极管相当，而表面积却小了三到五个数量级。
在研究开发中，首先使用等离子体辅助分子外延（PA-MBE）在蓝宝石衬底上生长Si掺N极性GaN模板，然后涂覆一层10nm厚的Ti层，用电子束光刻和干法刻蚀来确定用于选区外延的纳米线开口（openings）。如图2(b)所示，N极性纳米线表现出良好的选择性和平坦的c面形貌。图2(c)进一步说明了均匀N极InGaN/GaN纳米线阵列的实现。
图2：(a)蓝宝石衬底上N极GaN模板上生长的N极InGaN/GaN纳米线LED异质结示意图；
(b)、(c)N极性InGaN/GaN纳米线阵列的扫描电子显微镜图像，显示了高均匀性。
接着在上述模板制备了N性极InGaN/GaN纳米线Micro-LED，亚微米级开口横向尺寸在750nm到1μm之间变化，电流注入窗口的示意图如图3(a)所示。图3(b)显示的是一个亚微米尺度的器件注入开口的扫描电子显微镜图像，由五根纳米线组成，是最小的红色LED器件。在没有任何封装的情况下，直接在晶片上对微型LED进行了表征。如图3(c)所示，根据生长条件和纳米线尺寸，EL测量了550到650nm波长范围内发射。在保持纳米线间距不变的情况下，随着纳米线直径的增加，器件的发射会逐渐红移。如图3(d)所示，器件具有相似的J-V特性，在4V的电压下达到10A/cm2的电流密度。反向偏置电流非常低，形成了良好的p-n结。通过优化p型接触和器件制造工艺，可以进一步提高器件的开启电压。
图3：(a)InGaN/GaN micro-LED器件示意图；(b)亚微米级尺度器件注入窗口（injection window）的SEM图；(c)为不同设备测量的EL，显示在可见光光谱的黄红波长范围内发射波长的可调性；(d)器件的J-V特性。
参考文献
Pandey A, Malhotra Y, Wang P, 等. N-polar InGaN/GaN nanowires: overcoming the efficiency cliff of red-emitting micro-LEDs[J]. Photonics Research, Optica Publishing Group, 2022, 10(4): 1107–1116.
文中图片来源上述参考文献
