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红光micro-LED阵列器件研发取得新进展

2021/7/28 10:27:28   来源:本站   作者:管理员   人气:307次


近日,中科院长春光机所应用光学国家重点实验室梁静秋研究团队使用晶圆键合和衬底转移技术,成功制备出位于硅衬底上的像素密度达到2000 PPI的红光micro-LED阵列器件。以上研究工作以《2000 PPI silicon-based AlGaInP red micro-LED arrays fabricated via wafer bonding and epilayer lift-off 》为题发表在OPTICS EXPRESS上,DOI: 10.1364/OE.428482,博士生赵永周为论文的第一作者,王维彪研究员和陶金助理研究员为文章的共同通讯作者。

红光AlGaInP外延层通常生长在GaAs衬底上,而由于GaAs衬底吸光且导热系数小,限制了红光micro-LED器件的性能。在这项工作中,研究团队使用了衬底转移技术,将AlGaInP外延片转移到硅衬底上,并制作出硅衬底红光micro-LED阵列,最小像素尺寸达到8 μm,像素密度达到2000 PPI。由于硅衬底具有较好的散热特性,且使用了P面高反射镜,制作出的红光micro-LED器件具有稳定的光谱特性,且出光功率密度较GaAs衬底红光micro-LED提升了20多倍。

在晶圆键合中,使用了In-Ag键合,并使用湿法腐蚀去除GaAs衬底,去除GaAs后的样品表面光滑。

1 a)键合截面SEM b)去除生长衬底后的4英寸样品 c)键合截面的EDS图谱 d)去除生长衬底后的样品表面AFM

      在完成晶圆键合步骤后,采用ICP-RIE低刻蚀损伤工艺对样品表面进行隔离沟槽的制备。如图2中(c)中可以看出,即使最小的8 μm像素侧面,刻蚀表面仍较为光滑。随后使用PI作为沟槽填充材料,并制备N电极,完成了器件的制作。图2(d)、(e)和(f)是制备的三种不同像素尺寸的micro-LED阵列。图3是点亮的不同像素尺寸的micro-LED阵列。

2 不同像素尺寸的Micro-LED阵列

3点亮的不同尺寸的micro-LED阵列

由于硅衬底具有较好的热学散热性,研发出的2000 PPImicro-LED阵列器件在电流密度从20A/cm2增加到420A /cm2过程中,发光中心波长的偏移仅为2.43nm,小于GaAs衬底8.65nm的偏移。另外,制作的硅衬底红光micro-LED在电流密度为420 A /cm2时颜色坐标为(0.6871, 0.3127),小于标准NTSC红色坐标,表明该方法制作的器件具有较大的显色潜力,同时,和GaAs衬底的相关研究结果相比,这种方法制作的micro-LED器件的峰值光功率密度还提高了20多倍,具有稳定的光输出能力。

4 a2000 PPI阵列器件在不同电流密度下的光谱曲线 b)发光中心波长和半高宽随电流密度的变化曲线 c)器件的CIE 1931颜色坐标 d)电流密度增加,CIE坐标发生移动

5 a)不同像素尺寸的阵列器件的反向I-V曲线 b)不同像素尺寸的阵列器件的正向I-V曲线 c)不同像素尺寸的阵列器件的动态电阻 d)不同像素尺寸的阵列器件的光功率密度曲线和外量子效率曲线

综上,这种高密度硅衬底AlGaInP红光micro-LED阵列器件具有稳定的光谱特性、色彩显示能力、出色的电学和光输出能力,未来将在可见光通信、全彩显示和生物医疗等领域将发挥重要作用。该工作得到了国家重点研发计划、吉林省科技发展计划及应用光学国家重点实验室自主基金等项目的支持。






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