《Optics & Laser Technology》：Wide quantum wells enable suppressed thermal droop in AlGaInP-based red micro-LEDs via synergistic carrier confinement
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通过增大量子阱宽度至5.0 nm有效抑制AlGaInP红微LED的T-droop，使EQEmax在高温下下降较小（Tc达151 K），主要机制为降低载流子浓度抑制Shockley-Read-Hall复合，同时增强高温载流子局域化。
何文杰|廖金宏|李波|齐正文|李敏华|李志勇|卢一军|陈忠|郭伟杰
中国厦门大学电子科学与工程学院电子科学系，集成电路产教融合国家创新平台，厦门361005
摘要
热降（T-降）严重限制了基于AlGaInP的红色微LED在高温下的效率。本文研究表明，增加量子阱（QWs）的宽度是抑制基于AlGaInP的红色微LED的T-降的有效策略。使用5.0纳米宽度的QWs的器件，其T-降降低了36.9%，最大特征温度（Tc）提高了91.1%。这种提升源于两种协同机制：（i）降低QWs中的平均载流子浓度，从而在低电流密度下抑制Shockley-Read-Hall（SRH）复合；（ii）在高温下增强载流子限制，提高热稳定性。我们的发现展示了一种新的QW工程方法，可以制造出具有优异热稳定性的高性能基于AlGaInP的红色微LED。
引言
由于具有高亮度[1]、高色彩饱和度[2]和长寿命[3]等优点，微发光二极管（micro-LEDs）在下一代自发光显示应用中受到了广泛关注，包括增强现实（AR）、虚拟现实（VR）[4]和透明显示[5]等。基于氮化物的蓝色和绿色微LED已经实现了显著的外部量子效率（EQE）和可靠性[6][7]。然而，低效率[8]、宽半高宽（FWHM）[9]和高正向电压[10]仍然阻碍了基于氮化物的红色微LED的商业化。相比之下，生长在晶格匹配的GaAs衬底上的基于AlGaInP的红色微LED仍然是全彩微LED显示器中的主流红色发光体[11]。然而，基于AlGaInP的微LED由于表面复合速率高[12]和少数载流子扩散长度长[13]而效率较低。已经提出了多种策略来提高其性能，包括原子层沉积（ALD）[14]、等离子体处理[15]以及减少量子阱（QWs）的数量[16]，这些方法可以减轻与侧壁缺陷相关的Shockley-Read-Hall（SRH）复合。此外，通过提高光提取效率（LEE），例如增加n窗口层中的铝含量[17]，也可以提高基于AlGaInP的微LED的效率。此外，基于AlGaInP的微LED的效率还会随着温度的升高而显著降低，即热降（T-降）[18]。据报道，通过优化n接触金属方案[19]和使用亚纳秒脉冲驱动技术[20]可以减轻T-降，但外延结构对基于AlGaInP的微LED的T-降行为的影响尚未得到充分研究。
在这项工作中，我们通过将量子阱的宽度从3.4纳米（QW 3.4）增加到5.0纳米（QW 5.0），显著提高了28微米×52微米基于AlGaInP的红色微LED的热稳定性。当温度从300 K升高到380 K时，QW 3.4的峰值EQE（EQE_max）降低了65.5%，而QW 5.0的EQE_max仅降低了41.3%。此外，在10 A/cm2的电流密度下，QW 5.0的特征温度（Tc）为151 K，使其与基于氮化物的红色微LED具有竞争力。改进的ABC模型显示，QW 5.0在高温下的性能提升主要归因于载流子泄漏的减少。此外，还展示了量子阱宽度对电致发光（EL）光谱、电流密度-电压（J-V）特性和光输出功率（LOP）的影响。
实验部分
如图1(a)所示，外延层是通过金属-有机化学气相沉积（MOCVD）在GaAs衬底上生长的，包括0.55微米的p-GaP层（p = 2 × 10^18 cm^-3）、0.2微米的p-AlInP（p = 1 × 10^18 cm^-3）包层层、AlGaInP/GaInP多量子阱（MQWs）、0.08微米的n-AlInP包层层（n = 7 × 10^17 cm^-3）和n-AlGaInP窗口层（n = 1 × 10^18 cm^-3）。MQW区域由三对GaInP量子阱和AlGaInP量子势垒（QBs）组成。QW 3.4和QW 5.0都具有这些结构。
结果与讨论
首先在300 K下对制造的QW 3.4和QW 5.0器件的电流密度-电压-发光（J-V-L）特性进行了表征。如图2(a)所示，两种器件的开启电压都约为1.7 V。然而，在相同的正向电压下，QW 5.0显示的电流密度低于QW 3.4，这表明由于载流子扩散的限制，QW 5.0的串联电阻更高[25]。此外，QW 5.0的反向泄漏电流密度也更低。
结论
总之，通过将量子阱的宽度从3.4纳米增加到5.0纳米，我们展示了具有高EQE和改善热稳定性的基于AlGaInP的红色微LED。增加的量子阱宽度降低了每个量子阱中的平均载流子浓度，从而在低电流密度下减轻了SRH复合，提高了EQE。在5.0纳米宽度的器件中，实现了151 K的特征温度（Tc）和较小的T-降。热稳定性的提高主要是由于载流子泄漏的减少。
CRediT作者贡献声明
何文杰：撰写 – 原稿，研究。廖金宏：撰写 – 原稿，研究。李波：撰写 – 原稿，研究。齐正文：撰写 – 原稿，研究。李敏华：撰写 – 原稿，研究。李志勇：撰写 – 原稿，研究。卢一军：撰写 – 原稿，研究。陈忠：撰写 – 原稿，研究。郭伟杰：撰写 – 原稿，研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
这项工作部分得到了厦门科技计划项目（项目编号3502Z20241021）的支持，部分得到了福建省自然科学基金（项目编号2024J01052）的支持，以及福建省科技计划项目（项目编号2023H6038）的支持。
