韩国三星Nature:高效的纳米尺寸InGaN发光二极管

一、【导读】

随着发技术的不断进步，光电二极管（LED）被用于各种应用，如固态照明、显示器、光数据通信和光子学。其中人类对高亮度和高对比度显示器应用的巨大需求极大地推动了微型LED的研究进展。目前，微米级尺寸的LED面临着尺寸越低，外量子效率（EQE）越低的问题，这是由于小芯片尺寸的表面体积更大，导致其表面的非辐射复合损耗增加。据报道，蓝色InGaN-LED的EQE从横向尺寸10 μm下的~10%，下降到1μm尺寸时的~2-3%。因此，虽然nLED显示屏在实现高性能显示器方面具有巨大的潜力，但通过克服与尺寸相关的EQE减小问题来开发高效的微型LED是一个巨大的挑战。

二、【成果掠影】

近日，来自韩国三星显示公司的Mihyang Sheen，Changhee Lee等人在Nature上在线报道了一种具有高EQE的蓝色InGaN / GaN多量子阱（MQW）纳米棒LED（nLED），题目为“Highly efficient blue InGaN nanoscale light-emitting diodes”。研究者系统地分析研究了GaN表面与侧壁钝化层之间的相互作用，通过溶胶-凝胶法将SiO₂纳米颗粒吸附在GaN表面，实现了有效的表面钝化，降低了非辐射复合，克服了与尺寸相关的EQE减小问题，实现了峰值EQE达20.2 ± 0.6%的新型InGaN nLEDs的制造。

三、【核心创新点】

• 低温溶胶-凝胶工艺可以最大程度地减少表面钝化过程中缺陷的形成，实现峰值EQE为2±0.6%的蓝色InGaNn-LED

四、【数据概览】

图1nLED的制备及其光学特性© 2022 Springer Nature

(a-c) 通过传统的自上而下的处理方法制造的nLED的原理图和相应的SEM图像。干法蚀刻（a），湿法蚀刻（b）和(c) 溶胶-凝胶法沉积SiO₂表面钝化层

插图是GaN LED纳米棒上溶胶-凝胶反应的示意图。

(d) PL图像（顶部;蓝色和黄色发射共同显示）和荧光激发 - 发射光谱（底部）的纳米棒与等离子体增强的ALD SiO₂钝化（左）和溶胶-凝胶 SiO2钝化（右）。

(e) 晶圆上，等离子体增强ALD制造的 SiO₂和溶胶-凝胶 SiO₂钝化层（右）（λ= 300–700 nm）的亚微米LED棒阵列的全色CL图像

(f, g) PL光谱（f）和PL衰变迹线（g）

图2等离子体增强ALD和溶胶-凝胶两种SiO₂表面钝化法对应的电流密度-电压曲线

© 2022 Springer Nature

(a) 基于钝化类型的像素内单个纳米棒的EL和PL复合图像：等离子体增强的ALD SiO₂（左）和溶胶-凝胶 SiO₂（右）。

(b) 图2a中水平方向上MQW的EL强度分布，用放置在纳米棒正上方的共聚焦显微镜测量。

(c) nLED的EQE曲线

(d, e) nLED在线性刻度（d）和对数刻度（e）中的电流密度-电压（J-V）特性。

(f) 从2.5 V时的J-V曲线获得的理想系数

图3每个制造步骤后nLED的表面分析© 2022 Springer Nature

(a) HAADF-STEM图像根据制造步骤在MQW中侧壁。白色箭头表示干蚀刻表面的非晶化。黄色箭头表示等离子体损伤集中在InGaN量子阱的侧壁上。

(b) 2 nm厚SiO₂的nLED的XPS内核级光谱2涂层：Ga 3d（左）和N 1s（右）。

(c)从XPS光谱获得的Ga 3d状态比。

(d)每个制造步骤后纳米棒的ESR光谱。

(e) N-N基于ESR光谱分裂纳米棒的间隙。

图4采用不同钝化方法制备的InGaN量子阱侧壁缺陷© 2022 Springer Nature

(a) InGaN量子阱的高分辨率STEM图像 (b)N-K边光谱a图中所示区域，及其DFT计算。

五、【成果启示】

研究者通过溶胶-凝胶沉积SiO₂钝化策略开发了EQE达到20.2±0.6%的蓝色InGaN nLED。结果表明，通过常规等离子体增强的原子层沉积SiO₂进行钝化的GaN纳米棒的侧壁上会产生点缺陷，从而增加非辐射复合区域。而溶胶-凝胶工艺为GaN表面提供有效的钝化，降低了漏电流，实现了高的EQE。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04933-5

本文由金也供稿。