Optimización de estructuras micro-LED InGaN para mayor eficiencia cuántica a bajas densidades de corriente

Resumen

Aquí reportamos un estudio numérico exhaustivo para el comportamiento operativo y mecanismo físico de diodos emisores de luz micro (micro-LED) de nitruro a baja densidad de corriente. El análisis del efecto de polarización muestra que el micro-LED sufre un efecto Stark confinado cuántico (QCSE) más severo a baja densidad de corriente, lo que plantea desafíos para mejorar la eficiencia y realizar emisión full-color estable. El transporte y acoplamiento de portadores se analizan para determinar las mejores condiciones operativas y optimizar el diseño de estructura de micro-LED a baja densidad de corriente. Se muestra que menor número de pozos cuánticos (QW) en la región activa mejora el acoplamiento de portadores y la tasa de recombinación radiante, llevando a mayor eficiencia cuántica y potencia de salida. Se discute la efectividad de la capa de bloqueo de electrones (EBL) para micro-LED. Al remover la EBL, se encuentra que el confinamiento de electrones y la inyección de huecos mejoran simultáneamente, por lo que la emisión de micro-LED se mejora significativamente a baja densidad de corriente. Se investigan los procesos de recombinación respecto a Auger y Shockley-Read-Hall (SRH), y se destaca la sensibilidad a defectos para micro-LED a baja densidad de corriente.

Sinopsis: El QCSE inducido por polarización, el transporte y acoplamiento de portadores, y procesos de recombinación de micro-LED InGaN operando a baja densidad de corriente son investigados numéricamente. Basado en la comprensión de estos comportamientos y mecanismos de dispositivo, se proponen estructuras epitaxiales específicamente diseñadas incluyendo dos QWs, EBL altamente dopado o sin EBL y p-GaN con alta concentración de huecos para micro-LED emisivo eficiente. La sensibilidad a densidad de defectos también se destaca para micro-LED.

Introducción

Los diodos emisores de luz (LED) visibles basados en nitruros del grupo III tienen una amplia gama de aplicaciones incluyendo señales, comunicación óptica, almacenamiento de información, retroiluminación, pantallas, e iluminación general (o iluminación de estado sólido) [1, 2]. Desde la primera demostración de micro-LED de disco InGaN con diámetro de 12 μm por Jiang y sus colaboradores en 2000 [3, 4], el micro-LED ha recibido intereses académicos e industriales en expansión en campos de pantallas de alta resolución, comunicación por luz visible, bio-medicina, y sensores [5-8]. Comparado con pantalla de cristal líquido (LCD) y diodo emisor de luz orgánico (OLED), el micro-LED tiene ventajas de tamaño pequeño, alta resolución, alta eficiencia luminosa, alto brillo, alta saturación de color, larga vida operativa, alta velocidad de respuesta, y robustez, lo que lo hace el candidato más prometedor para la tecnología de pantalla de próxima generación [9, 10]. Escenarios de aplicación de pantalla micro-LED incluyen televisores de alta gama (TV), portátiles, dispositivos portátiles y terminales móviles, realidad virtual (VR), realidad aumentada (AR), pantalla transparente, etc. Según estimación de Yole, el mercado de pantalla micro-LED alcanzará 330 millones de unidades para 2025 [11].

Las aplicaciones tradicionales de LED de nitruros del grupo III, especialmente iluminación de estado sólido, requieren que la potencia de salida óptica sea lo más alta posible [12]. En las últimas tres décadas, motivado por aplicaciones de alta potencia, la investigación moderna para LED de nitruros, incluyendo diseño y optimización de estructura epitaxial, estudio del comportamiento operativo y mecanismo físico del dispositivo, y mejora de tecnología de fabricación, se centra principalmente en chip grande, alta densidad de corriente de trabajo, y alta potencia de entrada/salida [12, 13]. Primordialmente, la región activa de LED de nitruros ha evolucionado desde la heteroestructura más simple y pozo cuántico único (QW) en etapa temprana hasta los actuales pozos cuánticos múltiples (MQW) con 5 períodos QW, y el número de QW incluso puede alcanzar 8 o 10 para varios dispositivos comercializados de alta potencia [14-17]. La EBL se propuso para bloquear la fuga de electrones a alta densidad de corriente de inyección, aunque también puede impedir la inyección de huecos en cierto nivel [18, 19]. Para LED convencionales de alta potencia, el problema más sustancial es la reducción de la eficiencia cuántica externa (EQE) con el aumento de densidad de corriente, conocido como droop de eficiencia. El mecanismo intrínseco de este comportamiento está relacionado con la recombinación Auger indirecta a alta densidad de portadores inyectados [20]. En cuanto a fabricación, geometría de película delgada flip-chip e inyección vertical se desarrollaron para expandir el nivel de potencia de LED de nitruros [21, 22].

Se han logrado avances considerables para los LED de nitruros tradicionales de gran tamaño y alta potencia, y algunas lecciones aprendidas pueden aprovecharse para el estudio de micro-LEDs. Sin embargo, los micro-LEDs aún son muy diferentes de sus contrapartes de alta potencia. Los diferentes comportamientos operativos, mecanismos, y condiciones de micro-LED pueden resultar en diferentes desafíos y vías de investigación [23, 24]. Para LED tradicionales, la EQE máxima se ubica en alta densidad de corriente, y la densidad de corriente de trabajo es alta y más allá de la eficiencia máxima (> 30 A/cm²). Pero para la pantalla emisiva micro-LED, la densidad de corriente de trabajo debe ser mucho menor y a menudo en el rango de 0,02 a 2 A/cm² [24]. A esta baja densidad de corriente, la EQE de LED de nitruros tradicionales es muy baja e insuficiente para aplicaciones prácticas de pantalla micro-LED. Utilizando los beneficios de V-pit para cribar dislocaciones y mejorar la inyección de huecos, Zhang y sus colaboradores crearon LED eficientes basados en InGaN con eficiencia máxima hasta 24,0% a 0,8 A/cm². Sin embargo, los chips LED reportados por Zhang et al. aún se limitan a tamaño tradicional (1 mm × 1 mm), que es mucho mayor que el de micro-LED [25]. Además, muchos trabajos han reportado que la eficiencia cuántica interna (IQE) y EQE de micro-LEDs disminuyen al reducirse el tamaño del chip [26-28]. Esta degradación dependiente del tamaño se atribuye principalmente a la recombinación en superficie y daños en pared lateral inducidos por grabado seco asistido por plasma. Estos efectos de pared lateral contribuyen a la recombinación no radiante Shockley-Read-Hall (SRH), disminuyendo la eficiencia cuántica, y se vuelven mucho más serios con tamaño de chip menor debido al área específica de superficie/pared lateral mayor comparada con la región activa del dispositivo [29-31]. Para abordar este problema, se propusieron pasivación de pared lateral usando materiales dieléctricos y grabado húmedo usando ácido fluorhídrico bufferizado o método fotoelectroquímico para minimizar estos efectos a cierto nivel para micro-LED [31-33]. Sin embargo, incluso mejorados por la pasivación de pared lateral, la EQE máxima de micro-LEDs (con tamaño menor a 60 μm) sigue siendo menor al 25%, y disminuye drásticamente a pocos por ciento a densidad de corriente menor a 2 A/cm² [34, 35]. Especialmente para micro-LED rojo basado en InGaN, la EQE reportada actualmente es bastante limitada a menor del 1%, debido a la fuerte polarización y mala calidad cristalina [0,2%) para mini-pantallas. Appl Phys Express 14:011004" href="#ref-CR36">36]. Además, con el tamaño de chip reducido, la posición de EQE máxima también se mueve a mayor densidad de corriente, lo que impedirá aún más la alta eficiencia a baja densidad de corriente [26].

Por tanto, mejorar la eficiencia cuántica a baja densidad de corriente se convierte en el gran desafío y tema científico crítico para la aplicación de pantalla emisiva micro-LED. Para este propósito, la eficiencia máxima debe aumentarse, y la posición de inicio de la eficiencia debe desplazarse a una densidad de corriente inferior apropiada. Trabajos previos se centraron principalmente en la mejora de tecnología de fabricación como pasivación de pared lateral. Para mejorar la eficiencia, investigar los comportamientos operativos y mecanismos físicos de micro-LED a baja densidad de corriente, que aún es relativamente inexplorado y carece de comprensión, también es esencial. Además, para crear dispositivo que pueda mejorar la eficiencia a baja densidad de corriente con valor máximo, la estructura epitaxial de micro-LED también necesita ser rediseñada y optimizada, que debe ser bastante diferente de sus contrapartes tradicionales de gran tamaño y alta entrada/salida. Por ahora, la estructura epitaxial específicamente diseñada para pantalla emisiva micro-LED operando a baja densidad de corriente sigue faltando.

En este trabajo, los desafíos únicos de micro-LED para aplicación de pantalla operando a baja densidad de corriente se destacan, y se proponen soluciones potenciales para abordarlos. Usando el software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37], investigamos numéricamente los comportamientos operativos y mecanismos físicos de micro-LEDs InGaN a varias densidades de corriente de 200 a 0,1 A/cm². El diagrama de bandas, función de onda, y campo de polarización se simulan y analizan para el QCSE de micro-LED, y se confirma un QCSE más severo a baja densidad de corriente. Se investigan sistemáticamente las influencias del número de QW, concentración de dopaje tipo p y EBL AlGaN en el transporte de portadores, acoplamiento de portadores, recombinación radiante y eficiencia cuántica de micro-LED. El efecto y mecanismo respecto a recombinación SRH y Auger también se discuten. Basado en la simulación y análisis, se propone una estructura epitaxial optimizada específicamente diseñada para micro-LED operando a baja densidad de corriente.

Estructuras de Dispositivo y Métodos de Simulación

En este estudio, se usa la estructura común de micro-LED azul InGaN con tamaño de chip rectangular de 60 × 60 μm y longitud de onda de emisión pico alrededor de 465 nm para la simulación. La Figura 1 muestra que el micro-LED azul está compuesto por capa n-GaN de 200 nm, región activa MQWs, capa EBL p-Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N de 20 nm y capa p-GaN de 150 nm. La región activa MQWs consiste en 8, 5, 3, 2 o 1 períodos con QW In₀.₂₅Ga₀.₇₅N de 2,5 nm de espesor embebida en barrera cuántica (QB) In₀.₀₅Ga₀.₉₅N de 10 nm de espesor. La composición In de MQWs se ajusta y optimiza para lograr la longitud de onda de emisión azul deseada. Las concentraciones de dopaje de n-GaN, EBL p-AlGaN, y p-GaN son 2 × 10¹⁸ cm⁻³, 3 × 10¹⁸ cm⁻³, y 1 × 10¹⁹ cm⁻³, respectivamente.

Las propiedades ópticas y eléctricas de micro-LEDs se investigan numéricamente usando el software Advanced Physical Model of Semiconductor Devices [37]. En la simulación, se asume 50% de las densidades de carga de interfaz causadas por polarización espontánea y piezoeléctrica [38]. Excepto donde se menciona específicamente, la vida media SRH y coeficiente de recombinación Auger se establecen en 100 ns y 1 × 10⁻³¹ cm⁶s⁻¹, respectivamente [39, 40]. La ratio de desplazamiento de banda se asume 0,7/0,3 [41], la eficiencia de extracción de luz se fija en 70%, y la temperatura de operación es 300 K. Otros parámetros de material usados en la simulación pueden encontrarse en Ref [42].

Resultados y Discusiones

La eficiencia de enchufe de pared (WPE) de LED puede expresarse como sigue: [Ecuación 1: WPE = P_out / (I_op × V) = η_EQE × ħω / (e × V) = η_EQE × η_elect]. Donde P_out denota la potencia de salida óptica, I_op es la corriente de operación, V es el voltaje de accionamiento, ħω es la energía del fotón, y η_elect es la eficiencia eléctrica. EQE η_EQE es producto de eficiencia de inyección de corriente (CIE) η_CIE, IQE η_IQE y eficiencia de extracción de luz (LEE) η_LEE, como se describe por la siguiente ecuación: [Ecuación 2: η_EQE = η_CIE × η_IQE × η_LEE]. Además, según el modelo ABC [43], η_IQE puede expresarse como: [Ecuación 3: η_IQE = R_rad / (R_rad + R_SRH + R_Auger)]. Donde R_rad es la tasa de recombinación radiante, R_SRH es la tasa de recombinación no radiante SRH, y R_Auger es la tasa de recombinación Auger. La Figura 1 muestra los diferentes tipos de eficiencia y los mecanismos físicos y factores relacionados.

R_rad y CIE deben maximizarse, la eficiencia eléctrica y LEE deben mejorarse, y la recombinación SRH y Auger deben reducirse para mejorar la eficiencia general de micro-LED operando a baja densidad de corriente. Se requieren enfoques a nivel de sistema para abordar todos estos desafíos. Excepto la extracción de luz, estos desafíos se discutirán en las siguientes secciones, y también se propondrán soluciones potenciales para crear estructura epitaxial eficiente de micro-LED.

QCSE a Baja Densidad de Corriente: Campo de Polarización Interno

El QCSE inducido por polarización es uno de los factores dominantes que limitan la IQE de LED de nitruros [44]. El QCSE ha sido ampliamente estudiado para LED tradicionales de gran tamaño y alta potencia, pero aún carece de discusión suficiente en el contexto de aplicaciones específicas de micro-LED. Por tanto, este importante efecto se investiga primero. La región activa de micro-LED discutida aquí está construida por 5 períodos QW, que es el número de QW más comúnmente usado para LED de nitruros tradicionales.

La Fig. 2a muestra los diagramas de bandas de energía y las funciones de onda de primer nivel de electrón y hueco del quinto QW a 200 y 0,1 A/cm². QB y QW experimentan una gran curvatura de banda, llevando a la separación espacial de funciones de onda de electrón y hueco. Además, la curvatura de banda es más fuerte a baja densidad de corriente, indicando un QCSE más fuerte. Este fenómeno se atribuye al efecto de apantallamiento débil con menos portadores no equilibrados a baja densidad de corriente de inyección (ver Archivo Adicional 1: Fig. S1a-d, y discusión relacionada) [41]. La Fig. 2b muestra que un QCSE más severo aumenta la separación espacial de funciones de onda de portadores a baja densidad de corriente, lo que conduce a una menor tasa de recombinación radiante. Las tasas de recombinación radiante y espectros EL sin y con efecto de polarización, es decir, sin y con QCSE, se calculan además para mostrar cómo la separación electrón-hueco reduce cuantitativamente la emisión a baja densidad de corriente. La Fig. 2c, d muestra que la intensidad integral de tasa de recombinación radiante e intensidad EL se reducen aproximadamente 84,0% y 72,3% por QCSE, respectivamente. Estos resultados indican que es más difícil mejorar la eficiencia para micro-LED que para sus contrapartes tradicionales de alta potencia debido al QCSE mejorado a baja densidad de corriente.

Además, el control preciso y estable de la longitud de onda de emisión a diferentes densidades de corriente de inyección es crítico para pantalla micro-LED, porque determina varios parámetros importantes, como brillo, precisión de color, y saturación. Sin embargo, un QCSE más severo a baja densidad de corriente hace esto un gran desafío, especialmente para micro-LEDs verde y rojo que requieren mayor composición de Indio. Como resultado directo del aumento de curvatura de banda en QW InGaN con mayor composición de Indio y QCSE más fuerte, el desplazamiento de longitud de onda versus densidad de corriente se vuelve más pronunciado debido al efecto de apantallamiento. Los espectros EL de micro-LED rojos, verdes, y azules basados en InGaN con varias densidades de corriente se calculan además para mostrar cómo el desplazamiento de espectros afecta los puntos de color en la pantalla. Archivo Adicional 1: Figura S2 muestra que de 0,1 a 20 A/cm², las longitudes de onda pico se desplazan hacia el azul aproximadamente 15,8, 6,6, y 1,7 nm para micro-LED rojo, verde, y azul, respectivamente. Los puntos de color creados combinando micro-LED rojo, verde, y azul también se calculan, como se resume en Archivo Adicional 1: Tabla S1. La Fig. 2e ilustra el correspondiente diagrama de cromaticidad 1931-CIE (x, y). Claramente, el color de la emisión de micro-LEDs RGB cambia grandemente de verde a azul-verde cuando la densidad de corriente aumenta. El valor 1931-CIE x cruza de 0,1676 a 0,2084, y el valor 1931-CIE y cruza de 0,3891 a 0,3106. Este cambio sustancial de punto de color versus densidad de corriente deteriora grandemente el rendimiento de pantalla micro-LED.

Muchos reportes han sugerido varios enfoques para suprimir el QCSE, como usar barreras superred ultra-delgadas InGaN/AlGaN [45], MQW InGaN/GaN/AlGaN/GaN con barrera intermedia GaN [46], MQW arrugados [47], e insertar capa de alivio de tensión antes de MQW [48]. Pero el QCSE es inducido por propiedades intrínsecas de material nitruro c-plano. Varios ajustes de MQW no son suficientes para suprimir este efecto completamente. Recientemente, se ha logrado eficiencia decente para LED de nitruros no polares. Si el costo de sustrato GaN no polar puede reducirse, el LED no polar puede ser una solución ideal para disminuir el QCSE y realizar emisión full-color estable [49].

Transporte y Acoplamiento de Portadores

La densidad de corriente de electrón (J_n) y hueco (J_p) puede expresarse como: [Ecuaciones 4 y 5: J_n = σ_n |E| = n q μ_n |E|, J_p = σ_p |E| = p q μ_p |E|]. Donde σ_n y σ_p denotan la conductividad, n y p son las concentraciones, μ_n y μ_p son las movilidades para electrón y hueco, respectivamente, y E denota el campo eléctrico. En nitruros, la concentración de huecos es un orden de magnitud menor que la de electrones [50], y la movilidad de huecos es dos órdenes de magnitud menor que la de electrones [51]. Esta asimetría de concentración y movilidad lleva al desacoplamiento de flujo de portadores (J_n > J_p) y deteriora el rendimiento de LED en dos formas siguientes.

Eficiencia de inyección de corriente: La eficiencia de inyección de corriente η_CIE representa la ratio de corriente de recombinación J_recomb a la corriente total J_total, como siguiente ecuación [52]: [Ecuación 6: η_CIE = J_recomb / J_total = (J_n-recomb + J_p-recomb) / (J_n + J_p) = 2 × J_p / (J_n + J_p)]. J_recomb depende del menor de las corrientes de portadores, es decir, corriente de huecos. La Ecuación 6 confirma que el desacoplamiento de portadores (J_n > J_p) limita la maximización de CIE.

Tasa de recombinación radiante: La tasa de recombinación radiante R_rad se describe por la regla de oro de Fermi como la siguiente ecuación: [Ecuación 7: R_rad = C × ∫ dE_cv h ν_cv |M_T(E_cv)|² ρ_r(E_cv) f_v(1 - f_c)]. Donde C es una constante, E_cv es la energía de transición, h es la constante de Planck, ν_cv es la frecuencia de la luz generada, ρ_r es la densidad de estados reducida, f_c y f_v son las distribuciones de Fermi-Dirac, y |M_T|² es el elemento de matriz de momento [53]. Menos huecos y acumulación adicional de electrones en el QW pueden llevar a expansión de red cristalina y acumulación de tensión de tracción. Bajo esta variación de tensión, las densidades de carga de niveles cuánticos alrededor del máximo de banda de valencia se reducen. Esto disminuye aún más la probabilidad de transición óptica y reduce R_rad según Ec. 7. De esta manera, el desacoplamiento local de portadores en un solo QW también limita la IQE. Discusión más específica sobre este tema puede encontrarse en reportes previos [54-56].

En las siguientes secciones, se analizarán las influencias del número de QW, concentración de dopaje tipo p, y estructura EBL en el transporte de portadores para determinar las mejores condiciones de acoplamiento de portadores. Finalmente, se propondrá una estructura epitaxial optimizada para pantalla micro-LED eficiente operando a baja densidad de corriente.

Desacoplamiento de Portadores en 5QWs

Primero, se simulan las propiedades de transporte de portadores de micro-LED azul con 5QWs. Las distribuciones de concentración de portadores a 200 A/cm² y 0,1 A/cm² se ilustran en Archivo Adicional 1: Fig. S3a y b, respectivamente. La distribución inhomogénea en 5 QWs puede observarse tanto en altas como bajas densidades de corriente. Archivo Adicional 1: Figura S3c y d muestra que la movilidad de electrón en MQWs (684 cm²V⁻¹s⁻¹) es dos órdenes de magnitud mayor que la movilidad de huecos (10 cm²V⁻¹s⁻¹). Por tanto, los electrones pueden simplemente inyectarse en, luego pasar a través de MQWs sin participar en la recombinación, llevando al problema de fuga de electrones y baja CIE [51].

La Fig. 3a muestra la distribución de densidad de corriente de electrón y hueco a 200 A/cm². La densidad de corriente total de huecos (217,4 A/cm²) es solo 65,2% de la de electrones (333,3 A/cm²), indicando un severo desacoplamiento de portadores y baja CIE. La corriente de fuga de electrones es tan alta como 116,0 A/cm², que deteriora tanto la eficiencia radiante como la inyección de huecos. Como se muestra en Fig. 3b, la corriente de fuga de electrones es solo 0,01 A/cm², y la η_CIE calculada es tan alta como 95% a 0,1 A/cm². Estos resultados indican que lograr alta CIE es más fácil a baja densidad de corriente. Sin embargo, excepto el 5º QW donde J_p puede igualar J_n, el desacoplamiento de portadores y acumulación adicional de electrones son bastante severos en los otros cuatro QWs (QW 1, 2, 3 y 4) tanto en alta como baja densidad de corriente. A 200 A/cm², las densidades de corriente de electrón de estos cuatro QWs son 120, 43, 16 y 5 veces mayores que la densidad de corriente de huecos (Fig. 3a). A 0,1 A/cm², son 23, 9, 4, y 2 veces mayores que la corriente de huecos (Fig. 3b). Basado en Ec. 7, este gran desacoplamiento de portadores evidentemente disminuye la tasa de recombinación radiante de estos cuatro QWs. Por tanto, las tasas de recombinación radiante en estos cuatro QWs son solo ~3,4%, 4,0%, 10,1%, y 34,2% a 200 A/cm², y 11,3%, 10,1%, 10,7% y 21,2% a 0,1 A/cm² comparado con el 5º QW. Este desacoplamiento de portadores y baja emisión radiante finalmente reducen la eficiencia monolítica de micro-LED.

Factores que Influyen en el Transporte y Acoplamiento de Portadores

Número de QW: Para LED tradicional de gran tamaño operando a alta densidad de corriente, MQWs con 5, incluso 8 o 10 períodos deben usarse para lograr alta potencia de salida óptica. Sin embargo, para pantalla emisiva micro-LED, la potencia de salida es mucho menor y la densidad de corriente de trabajo es mucho menor. Como se discutió en la sección anterior, incluso a baja densidad de corriente, el desacoplamiento de portadores permanece bastante severo en 5QWs, y solo un QW puede lograr la mejor condición de acoplamiento. Desde esta perspectiva, para micro-LED operando a baja densidad de corriente, la región activa con menor número de QW debería ser un mejor diseño para mejorar la eficiencia debido al mejor acoplamiento de portadores.

El efecto del número de QW en el micro-LED se investiga para verificar nuestra suposición. La Fig. 4a-f muestra la densidad de corriente de portadores y tasa de recombinación radiante a 0,1 A/cm² de LEDs con 3QWs, 2QWs, y 1QW, respectivamente. Las curvas de corriente tienen solo un punto de intersección (un punto de mejor acoplamiento de portadores, J_n = J_p) debido a la tendencia monótonamente decreciente de corriente, pero con menos QWs, como en los casos de 3QWs y 2QWs, se pueden lograr dos puntos de intersección en dos QWs diferentes (Fig. 4a, b). En otras palabras, el desacoplamiento de portadores en MQWs puede superarse parcialmente con menos QWs. Especialmente para 2QWs, con ajuste apropiado, el acoplamiento perfecto de flujo de portadores puede lograrse en ambos QWs. La tasa de recombinación radiante también es mayor en 2QWs que en 3QWs y 5QWs porque el consumo de portadores por recombinación radiante es más concentrado en la región activa con menos QWs (Figs. 3d, 4d, e). Indudablemente, el mejor acoplamiento de portadores está en el LED con solo un QW, y la tasa de recombinación radiante también es la más alta para 1QW, como se muestra en Fig. 4c, f.

La Fig. 5a, b muestra IQE como función de densidad de corriente entre 0 a 200 A/cm² y 0 a 10 A/cm², respectivamente. Para densidad de corriente mayor a 50 A/cm², IQE disminuye cuando el número de QW se reduce. Por el contrario, IQE con densidad de corriente menor a ~30 A/cm² aumenta cuando el número de QW disminuye. A 0,1 A/cm², los valores IQE para 8, 5, 3, 2, y 1 QWs son 55%, 62%, 69%, 77%, y 78%, respectivamente. Además, como se muestra en Fig. 5b, la posición de IQE máxima también se mueve de 6,0 A/cm² en 8 QWs a la densidad de corriente más baja aproximadamente 1,2 A/cm² en 2QWs. Las curvas IQE a baja densidad de corriente (< 1 A/cm²) también se vuelven más empinadas y agudas con menor número de QW, indicando que lograr la mayor eficiencia es más fácil y rápido. Esto es bastante beneficioso para mejorar la eficiencia a baja densidad de corriente. El mecanismo físico detrás de esta tendencia de IQE puede explicarse por el mejor acoplamiento de flujo de portadores, y emisión radiante más concentrada y fuerte en la región activa con menor número de QW. Como se muestra en Fig. 5c, comparado con 8 QWs, la intensidad EL integral de 5, 3, 2, y 1 QWs a 0,1 A/cm² aumentan ~6,1%, 14,8%, 28,4%, y 32,1%, respectivamente. Este resultado confirma que no solo la eficiencia sino también la potencia de salida mejora con menor número de QW.

Los resultados de simulación muestran que 1QW tiene la mayor intensidad EL y tal vez la mejor estructura para micro-LED operando a baja densidad de corriente. Sin embargo, experimentalmente, es difícil crecer epitaxialmente solo un QW que tenga superficie plana e interfaz aguda. Además, para la estructura 1QW, la posición de IQE máxima aumenta ligeramente a 2,9 A/cm², y la forma de curva IQE también cambia ligeramente. Esto puede explicarse por la circunstancia especial del QW único. Comparado con otros QWs, el QW adyacente a la EBL tiene un entorno de polarización especial y se considera un "QW problemático". Este tema se discutirá con más detalles en la sección de EBL AlGaN. Considerando estas razones, 2QWs debería ser el mejor diseño de región activa, que tiene similar buen acoplamiento de flujo de portadores, valor IQE cercano, e intensidad EL a 1QW. Por tanto, en las siguientes secciones, todas las simulaciones se basan en micro-LED con 2QWs.

Concentración de dopaje P-GaN: El rendimiento de LEDs 2QWs con diferentes concentraciones de dopaje tipo p en p-GaN se investiga además. Como se muestra en Fig. 6a, cuando la concentración de dopaje de p-GaN aumenta de 1 × 10¹⁸ cm⁻³ a 5 × 10¹⁹ cm⁻³, las tasas de recombinación radiante a 0,1 A/cm² aumentan ~3,1% y 3,0% para los dos QWs. La Fig. 6b muestra que la densidad de corriente total de huecos aumenta de 0,157 a 0,162 A/cm², mientras tanto, la densidad de corriente de fuga de electrones se reduce de 0,009 a 0,005 A/cm² con el aumento de concentración de dopaje. Vale notar que la corriente de recombinación en el QW cerca del lado n es mayor que el QW cerca del lado p (Fig. 6b). Por tanto, la tasa de recombinación radiante cerca del QW lado n también es ligeramente mayor que la del QW lado p. Como se muestra en Fig. 6c, se encuentra que la barrera de energía para portadores en EBL, definida como la distancia energética entre el nivel cuasi-Fermi de electrón/hueco y la banda de conducción más alta o banda de valencia más baja, son casi inmutables bajo diferente concentración de dopaje de p-GaN, es decir, la inyección de huecos no mejora al aumentar la concentración de dopaje. La Fig. 6d muestra la concentración promedio de huecos en p-GaN y QWs. La concentración de huecos en p-GaN es casi exponencialmente dependiente de la concentración de dopaje. Dentro de los QWs, la concentración de huecos aumenta aproximadamente el doble de 1,59 × 10¹⁹ cm⁻³ a 3,08 × 10¹⁹ cm⁻³ con mayor concentración de dopaje. Estos resultados indican que el aumento de concentración de huecos es la contribución principal para la mejora de recombinación radiante. Por tanto, incluso a baja densidad de corriente, el problema de dopaje tipo p de nitruros sigue siendo notable, y mejorar la eficiencia de dopaje y concentración de huecos sigue siendo beneficioso para la eficiencia de micro-LED.

EBL AlGaN: En las últimas décadas, un EBL p-tipo AlGaN de 10–20 nm se ha vuelto una estructura estándar para LED tradicionales basados en nitruros. Este EBL se considera para bloquear la fuga de electrones y suprimir el droop de eficiencia bajo alta densidad de corriente inyectada. A pesar de esto, vale notar que el EBL sigue siendo una estructura muy complicada y sutil para el LED. Involucra muchos factores importantes, incluyendo composición Al, eficiencia de dopaje tipo p de AlGaN, ratios de desplazamiento de banda, y efecto de polarización. Cada uno de ellos puede influir sustancialmente en la estructura de bandas y transporte de portadores, determinando entonces la efectividad del EBL. Para la construcción de EBL, espesor, composición, y concentración de dopaje deben considerarse y optimizarse cuidadosamente para equilibrar la mejora del confinamiento de electrones y el bloqueo de inyección de huecos, de lo contrario, puede ocurrir lo opuesto, y el rendimiento de LED podría deteriorarse. Para micro-LED, la efectividad de EBL para operar a baja densidad de corriente debe reconsiderarse, que puede ser diferente al caso de LED tradicional de alta entrada/salida.

a. Concentración de dopaje de EBL: Primero, se investiga el efecto de concentración de dopaje de EBL en el transporte de portadores a baja densidad de corriente. El espesor y composición Al de EBL se fijan en 20 nm y 0,15, respectivamente. Considerando la baja solubilidad de dopante Mg en AlGaN, la degradación cristalina, y efecto de compensación por sobre-dopaje [50], la concentración de dopaje de EBL se establece primero en 3 × 10¹⁸ cm⁻³. La Fig. 7a muestra la correspondiente estructura de bandas de energía. Claramente, a pesar de la existencia de EBL, la fuga de electrones fuera del QW aún puede ser causada por el confinamiento insuficiente de electrones debido a la curvatura descendente del último QW y EBL. Un nuevo valle energético bajo el nivel cuasi-Fermi de electrón aparece en la interfaz del último QB y EBL. Así, los electrones escaparían del QW y se acumularían en esta área. Esta distorsión de estructura de bandas hace el EBL relativamente inefectivo, y puede contribuirse al efecto de polarización. Como se muestra en Fig. 7c, la fuerte polarización induce gran cantidad de cargas en las interfaces. Debido a las cargas de polarización no balanceadas son positivas en la interfaz del último QB/EBL, un gran campo electrostático apuntando del lado p al lado n se acumula en el último QB, que es opuesto a los campos en otros QBs y EBL. Estos campos electrostáticos jalan hacia abajo la banda de energía del último QB y EBL. Además, los campos eléctricos en el último QW y último QB ambos pueden atraer electrones y conducirlos fuera de la región activa hacia la capa p. Esto puede observarse en el diagrama de concentración de portadores, como se muestra en Fig. 7d. La línea punteada negra indica que una parte de los electrones escapan de la región activa y se acumulan en la interfaz del último QB/EBL. En el EBL y p-GaN, la fuga de electrones permanece relativamente alta.

Por otro lado, el EBL también introduce una barrera de potencial tan alta como 480 meV para la inyección de huecos. Además, como se muestra en Fig. 7a, c, un valle energético cercano al nivel cuasi-Fermi de huecos aparece en la región de interfaz entre EBL/p-GaN debido al efecto de polarización. Como indica la línea negra sólida de Fig. 7d, la mayoría de los huecos son bloqueados por el EBL y así se acumulan en el valle energético de la interfaz EBL/p-GaN. Debido a este transporte de portadores ineficiente, el último QW se considera como "QW problemático", y el EBL solo tiene baja capacidad para confinamiento de electrones, y debería ser responsable de la pobre inyección de huecos. Comparado con LED tradicional de alta entrada/salida, esta inefectividad de la función EBL inducida por polarización podría ser particularmente severa para micro-LED debido al efecto de polarización mejorado por menor apantallamiento de portadores a baja densidad de corriente.

La ingeniería de bandas aumentando la concentración de dopaje de EBL es un método posible para mejorar el confinamiento de electrones y la inyección de huecos. La energía de activación de dopante Mg en EBL AlGaN es mayor que en GaN, por tanto, incluso bajo concentración de dopaje similar, la concentración activa de huecos en EBL permanece mucho menor que en p-GaN. La menor concentración de huecos podría separar aún más el nivel cuasi-Fermi de huecos y la banda de valencia, entonces aumentar la altura de barrera. Basado en este análisis, la concentración de dopaje de EBL necesita ser mucho mayor que p-GaN. Considerando la limitación de dopaje en experimento real, 6 × 10¹⁹ cm⁻³ se selecciona como nueva concentración de dopaje en el EBL. Como se muestra en Fig. 7b, al aumentar la concentración de dopaje, la banda de valencia de EBL se eleva debido a la alineación del nivel cuasi-Fermi de huecos, resultando en una barrera de energía de huecos reducida de 281 meV. Además, el alto dopaje tipo p también ayuda a bajar el nivel cuasi-Fermi de electrones respecto a la banda de conducción en EBL, por tanto aumentando la barrera efectiva para fuga de electrones a 1175 meV. Estos cambios mejoran el confinamiento de electrones y la inyección de huecos. La Fig. 7d muestra que comparado con concentración de dopaje de 3 × 10¹⁸ cm⁻³, la concentración de huecos en la región activa aumenta grandemente, y la fuga de electrones en EBL y p-GaN se reduce casi a cero. Sin embargo, el valle energético en la interfaz entre EBL/p-GaN aún existe. Además, el levantamiento de la banda de valencia también introduce un nuevo valle energético para acumulación de huecos en la interfaz entre el último QB/EBL, lo que puede confirmarse por la distribución de concentración de huecos en Fig. 7d. Estos valles energéticos pueden impedir la inyección de huecos en QWs, compensando así la ventaja de alta concentración de dopaje.

b. Composición Al de EBL: Comparado con el aumento de concentración de dopaje, reducir la composición de EBL AlGaN puede ser un método más fácil y eficiente para mejorar el transporte de portadores a baja densidad de corriente. La efectividad de EBL depende sensiblemente de la composición Al, desplazamiento de banda, y efecto de polarización. Aumentar la composición Al de EBL puede aumentar el desplazamiento de banda entre el último QB/EBL, lo que aumenta la altura de barrera de electrones. Sin embargo, como se muestra en Fig. 8a, las cargas inducidas por polarización en las interfaces también aumentan entsprechend, que jalan hacia abajo la altura de barrera de electrones. Dos mecanismos tienen efecto opuesto para confinar electrones.

Basado en este análisis, se investiga el transporte de portadores de micro-LEDs 2QWs con diferentes estructuras EBL a 200 y 0,1 A/cm². El resultado de alturas de barrera de energía efectivas de diferentes EBL se resume en Tabla 1. Primero, tanto las barreras de energía de electrón como de hueco a baja densidad de corriente son mucho mayores que los casos a alta densidad de corriente debido a la menor población de portadores no equilibrados. Una barrera de energía más alta puede mejorar el confinamiento de electrones, pero también impide severamente la inyección de huecos a baja densidad de corriente. Esto indica que la influencia del EBL en el transporte de portadores de micro-LED operando a baja densidad de corriente es mucho mayor que la de LED tradicional de alta entrada/salida. La Tabla 1 también muestra que con composición Al relativamente baja en EBL, la barrera de electrón disminuye con el aumento de composición Al, lo que indica que el descenso de banda de conducción inducido por efecto de polarización es mayor que el desplazamiento de banda aumentado introducido por la mayor composición Al. Al aumentar aún más la composición, la barrera de electrón aumenta junto con la composición, significando que el desplazamiento de banda se vuelve dominante sobre el efecto de polarización. Comparado con alta densidad de corriente, este punto de inflexión de composición es mayor a baja densidad de corriente debido al efecto de polarización mejorado por menor apantallamiento de portadores. Por otro lado, debido al desplazamiento de banda original entre el último QB/p-GaN y la curvatura de banda, existen barreras de energía para electrones y huecos en la interfaz incluso sin EBL. A 200 A/cm², cuando la composición es menor a 0,20, la barrera de energía de electrón es menor que el caso sin EBL, pero la barrera de hueco es mayor ~64 meV. A 0,1 A/cm², incluso con composición mayor a 0,20, la barrera de electrón de EBL AlGaN (523 meV) sigue siendo 151 meV menor que el caso sin EBL (674 meV), pero la barrera de hueco aumenta ~76 meV de 409 a 485 meV. Estos resultados indican que tanto el confinamiento de electrones como la inyección de huecos podrían deteriorarse por EBL con composición incorrecta, especialmente para micro-LED operando a baja densidad de corriente.

Para un análisis profundo, las estructuras de bandas de micro-LEDs con EBL Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N y sin EBL como representantes se ilustran en Fig. 8b, c. El EBL introduce dos valles energéticos en la interfaz del último QB/EBL y EBL/p-GaN para acumulación de electrón y hueco, respectivamente, lo que puede confirmarse por el diagrama de concentración de portadores en Fig. 8d. Por tanto, el confinamiento de electrones y la inyección de huecos son pobres para esta estructura. Cuando se remueve el EBL, como se muestra en Fig. 8c, la barrera de energía para electrón aumenta, y el valle energético para extracción y acumulación de electrones desaparece. Estos cambios previenen la fuga de electrones más efectivamente, como se confirma en Fig. 8d. Mientras tanto, la altura de barrera para inyección de huecos se reduce, y el valle energético en la interfaz EBL/p-GaN también se remueve. Así, el hueco puede transportarse directamente al QW sin enfrentar gran obstáculo, como se muestra en Fig. 8c, d.

La investigación cuidadosa anterior sugiere que sin EBL puede ser una mejor estructura para micro-LED operando a baja densidad de corriente. Los resultados de simulación apoyan nuestra sugerencia. La Fig. 8e ilustra la densidad de corriente de portadores a 0,1 A/cm² con diferentes estructuras EBL. Cuando la composición Al del EBL se reduce de 0,15 a 0,04, las densidades de corriente total de electrón y hueco aumentan de 0,167 y 0,159 A/cm² a 0,225 y 0,225 A/cm², respectivamente. Además, cuando el EBL se remueve completamente, ambas densidades de corriente total de electrón y hueco aumentan grandemente a 0,528 A/cm², que es aproximadamente 3 veces mayor comparado con EBL Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N. Esta mejora se contribuye al mejorado confinamiento de electrones e inyección de huecos.

La Fig. 8f muestra las curvas IQE a baja densidad de corriente. Cuando la composición Al de EBL se reduce de 0,15 a 0,04, los valores IQE aumentan evidentemente debido al mejorado transporte de portadores. Sin embargo, al remover el EBL, el valor IQE experimenta una ligera disminución comparado con EBL Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N. Esto puede explicarse por el acoplamiento de portadores en dos QWs. Como indican las flechas verdes en Fig. 8e, a, un acoplamiento perfecto de portadores ocurrió en ambos QWs con EBL Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N. Con el aumento de densidad de corriente al remover EBL, el acoplamiento de flujo de electrón y hueco se ha roto ligeramente en el primer QW, donde la densidad de corriente de electrón es ligeramente mayor que la de hueco. Por tanto, el IQE se reduce ligeramente debido a este desacoplamiento de portadores en un QW.

La superioridad de micro-LED sin EBL sigue siendo notable debido al mejorado transporte de portadores. Como se muestra en Fig. 8g, a 0,1 A/cm², las intensidades EL integrales de micro-LED sin EBL son 3,53, 3,23, y 2,38 veces mayores comparadas con LED con EBL Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N, Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N y Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N, respectivamente. Además, como se muestra en el recuadro de Fig. 8g, los voltajes de trabajo bajo 1 A/cm² y 0,1 A/cm² se reducen ~0,53 V y 0,57 V al remover el EBL, respectivamente. Esto mejora la eficiencia eléctrica, entonces finalmente aumenta la WPE de micro-LED. Para confirmar aún más que la estructura sin EBL es un mejor diseño para micro-LED operando a baja densidad de corriente, se realiza otra simulación usando la estructura de micro-LED azul reportada con eficiencia máxima conocida. Los resultados y discusiones pueden encontrarse en Materiales de Soporte (Archivo Adicional 1: Fig. S4a-d).

Estructura Optimizada para Micro-LED Operando a Baja Densidad de Corriente

Basado en la simulación y análisis anteriores, se propone la estructura epitaxial optimizada específicamente diseñada para la pantalla emisiva micro-LED eficiente operando a baja densidad de corriente, como se muestra en Fig. 9. Tres principios deben seguirse. Primero, en contraste al LED tradicional de nitruros de gran tamaño y alta potencia, el número de QW de micro-LED debe reducirse a solo dos, que tiene mejor condición para el acoplamiento de portadores, emisión radiante más concentrada, y mayor IQE y WPE. Segundo, el dopaje tipo p aún necesita mejorarse debido a la concentración de huecos y movilidad relativamente bajas comparadas con el electrón en nitruros, lo que demanda una estrategia de dopaje tipo p más eficiente. Tercero, para mejorar el transporte y acoplamiento de portadores, la concentración de dopaje de EBL AlGaN debe aumentarse grandemente, o el EBL AlGaN puede removerse completamente. Sin usar EBL AlGaN, el confinamiento de electrones, inyección de huecos, acoplamiento de portadores, IQE, y WPE del micro-LED pueden mejorarse grandemente a baja densidad de corriente.

Recombinación Auger y Recombinación No Radiante SRH

Basado en Ec. 3, excepto la recombinación radiante, la recombinación SRH y Auger también juegan roles críticos en la IQE de LED. Por tanto, es importante investigar los efectos y mecanismo respecto a la recombinación SRH y Auger para micro-LED. En esta parte, la estructura LED con 2QWs se usa aún, y todos los parámetros de simulación son los mismos que los mencionados en Métodos excepto las vidas medias SRH.

Recombinación Auger Despreciable y Recombinación SRH Prominente

La tasa de recombinación SRH puede expresarse como: [Ecuaciones 8-10]. Donde n_i es la concentración intrínseca de portadores, τ_p y τ_n son las vidas medias SRH de hueco y electrón, respectivamente, E_T es la diferencia de energía entre el nivel de trampa y el nivel de Fermi intrínseco, c_p y c_n son los coeficientes de captura para electrón y hueco, N_t es la densidad de trampas, σ_p y σ_n son las secciones transversales de captura para electrón y hueco, y ν_p y ν_n son las velocidades térmicas promedio de electrón y hueco, respectivamente. Según Eqs. 8-10, la recombinación SRH de una trampa está completamente especificada por su densidad, secciones transversales de captura y nivel de energía.

La tasa de recombinación Auger se da por: [Ecuación 11: R_Auger = (C_n n + C_p p)(np - n_i²)]. Donde C_n y C_p son los coeficientes de recombinación Auger.

Dado que las concentraciones de huecos y electrones inyectados son mucho mayores que la concentración intrínseca de portadores en QWs no dopados (según resultado de simulación, la mayor concentración de portadores en QW es solo ~10⁷ cm⁻³ en ausencia de corriente inyectada externamente), las tasas de recombinación SRH y Auger pueden simplificarse como: [Ecuaciones 12 y 13: R_SRH = np / (τ_p n + τ_n p), R_Auger = (C_n n + C_p p)np]. Las Ecuaciones 12 y 13 muestran claramente que R_SRH es directamente proporcional a la primera potencia de la concentración de portadores, pero R_Auger depende de la tercera potencia de la concentración de portadores, es decir, R_SRH es sensible a baja densidad de corriente, mientras R_Auger es más dominante a alta densidad de corriente.

Este análisis teórico concuerda con nuestros resultados de simulación. La Fig. 10a, b muestra las tasas de recombinación radiante, SRH, y Auger calculadas a 200 y 0,1 A/cm², respectivamente. A alta densidad de corriente, la tasa de recombinación Auger (~0,8–1,4 × 10²⁹ cm⁻³s⁻¹) es comparable con la tasa radiante (~4,2–6,0 × 10²⁹ cm⁻³s⁻¹). De hecho, el problema sustancial de droop de eficiencia a altas corrientes de accionamiento es ahora ampliamente reconocido como causado por recombinación Auger [20]. Mientras, a baja densidad de corriente, relativamente, la tasa de recombinación Auger disminuye dramáticamente a dos órdenes de magnitud menor (~6,3–7,2 × 10²² cm⁻³s⁻¹) que la recombinación radiante (~3,7–4,0 × 10²⁴ cm⁻³s⁻¹). Por tanto, la recombinación Auger debería ser despreciable a baja densidad de corriente. Inversamente, con la disminución de densidad de corriente, la tasa de recombinación SRH relativamente aumenta de un valor pequeño a 200 A/cm² (dos órdenes de magnitud menor que recombinación radiante) a un nivel comparable con la emisión radiante a 0,1 A/cm². Como resultado, el micro-LED operando a baja densidad de corriente requiere mejora en la recombinación SRH o de defectos en lugar de la recombinación Auger.

Requerimiento de Baja Densidad de Defectos

Según Ec. 9, las vidas medias SRH, τ_p y τ_n, son inversamente proporcionales a la densidad de defectos N_t. Por tanto, el efecto de densidad de defectos puede estimarse simplemente cambiando la vida media SRH en la simulación. La Fig. 10c muestra la ratio calculada de SRH/radiante a varias vidas medias SRH. Con la disminución de vidas medias SRH de 150 a 50 ns, es decir, el aumento de densidad de defectos, la ratio SRH/radiante aumenta ligeramente de 0,01 a 0,03 a 200 A/cm², pero aumenta grandemente de 0,15 a 0,43 a 0,1 A/cm². Esto significa que un porcentaje mucho mayor de portadores es consumido por trampas de defectos a baja densidad de corriente. Por tanto, la eficiencia es mucho más sensible a la densidad de defectos a baja corriente que a alta densidad de corriente. Los resultados IQE como se muestra en Fig. 10d, e confirman esta tendencia. Con la disminución de vidas medias SRH de 150 a 50 ns, IQE solo disminuye ~0,01 a 200 A/cm², pero disminuye dramáticamente ~0,17 a 0,1 A/cm². Además, como se muestra en Fig. 10f, con la disminución de vida media SRH, la posición de IQE máxima también se mueve de 3,1 A/cm² a una mayor densidad de corriente de 9,0 A/cm², y las curvas IQE se vuelven menos empinadas y agudas, lo que significa que la corriente de umbral/inicio aumenta. Esto es desventajoso para mejorar la eficiencia de micro-LED a baja densidad de corriente.

Comparado con LED tradicional de gran tamaño y alta potencia trabajando a alta densidad de corriente, el micro-LED operando a baja densidad de corriente es mucho más sensible a la densidad de defectos, y minimizar la recombinación de defectos es de importancia primordial para lograr alta eficiencia. Por tanto, el micro-LED requiere una calidad cristalina de materiales mucho más alta que el LED tradicional, y plantea grandes desafíos para el crecimiento epitaxial del material y la fabricación del dispositivo para la comunidad.

Conclusiones

En resumen, los comportamientos operativos, mecanismos y condiciones de micro-LED InGaN operando a baja densidad de corriente son investigados numéricamente, y se propone una estructura epitaxial optimizada específicamente diseñada para pantalla micro-LED. El análisis del efecto de polarización muestra que micro-LED sufre un QCSE más severo a baja densidad de corriente. Por tanto, mejorar la eficiencia y controlar el punto de color de emisión son más difíciles. El transporte y acoplamiento de portadores se analizan para determinar las condiciones operativas de micro-LED. Se muestra que menor número de QW mejora el acoplamiento de portadores y conduce a mayor eficiencia y potencia de salida a baja densidad de corriente. La efectividad del EBL para micro-LED se analiza, y se encuentra que el confinamiento de electrones y la inyección de huecos mejoran simultáneamente a baja densidad de corriente al remover el EBL. Además, la simulación ha mostrado que la recombinación Auger es despreciable, pero la recombinación SRH influye grandemente en la eficiencia de micro-LED a baja densidad de corriente, lo que ha elevado requerimientos más altos para la calidad cristalina de materiales y el proceso de fabricación de dispositivos. Nuestro estudio numérico puede proporcionar valiosa guía para crear pantalla micro-LED eficiente y promover investigación futura en esta área.