隨著Micro LED逐步走近大眾視野，跨越瓶頸問題顯得愈加迫切，其中就包括紅光Micro LED的生產和效率問題。

InGaN材料潛力大，但效率提升仍受限

多項研究表明，基於磷化物結構的紅光LED，外量子效率等性能會隨著晶片尺寸縮小而降低，尤其是當尺寸微縮至10μm以下時，因長載流子擴散長度及側壁高密度表面缺陷，性能損失會更為嚴重。不過，這一難題在近年來接連取得重要突破。

美國加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）、阿卜杜拉國王科學技術大學（KAUST）、GaN Micro LED材料開發商Porotech、半導體材料商Soitec、首爾偉傲世、晶能光電等不少全球學者、研究者和技術開發商的研發成果均表明，基於InGaN材料製造的紅光Micro LED擁有更好的性能，在助力實現Micro LED全彩化方面前景可期。

但需要注意的是，現階段紅光Micro LED的效率仍受限，特別是尺寸小於10μm以下的晶片效率還遠遠達不到AR/VR、智慧眼鏡、抬頭顯示器等Micro LED終端顯示設備的要求。上述提及的UCSB、KAUST、晶能光電等當下也在積極透過優化生產步驟、提升材料品質等不同方式來提升外量子效率。

法國團隊開發新型結構，有助於提升紅光晶片效率

最近，由Soitec與格勒諾布爾-阿爾卑斯大學（Université Grenoble Alpes，UGA）組成的研究團隊在基於隱埋氧化物的InGaN層上採用外延層沉積技術開發InGaN基紅光LED，相比在傳統襯底生長的紅光LED，產生的應力更少。換句話說，透過減少InGaN層的應力，可以提升InGaN基紅光Micro LED的效率。

據介紹，這個結構是透過Soitec專有的Smart Cut製程構成，由於面內晶格參數增高，銦合並能力增強，InGaN量子阱能夠跨越整個可見光光譜范圍。與此同時，InGaN結構還能夠降低器件活動區的內部電場，有利於實現更高的效率。

去年，該法國研究團隊公佈了基於InGaN Smart Cut襯底的紅光Micro LED的研究成果，彼時研發的晶片尺寸範圍為300μm×300μm到50μm×50μm。而最新的研究成果獲得了突破，晶片尺寸縮小至10μm。

在最新研究中，研究者團隊採用兩個變量。一個是銦含量為8%的InGaN種子層，厚度為120奈米；另一個是銦含量為11%的InGaN種子層，厚度同樣是120奈米。兩種都具有曲面台階襯底形狀及V形缺陷，缺陷密度及尺寸會隨著銦含量的增加而提高。例如，銦含量增加使得V形凹面的尺寸從3×107cm-2及100奈米擴大至2×108cm-2及130奈米。

在晶片生產過程中，首先是將襯底裝載在MOCVD反應腔中，再沉積一個包括15週期超晶格的外延堆疊層、一個多量子阱活動區及一個電子阻擋層。

上圖展示的是超晶格的細節圖，N型In0.03Ga0.97N/GaN為活動區提供基礎，包含了5層2奈米厚的In0.4Ga0.6N量子阱，由7.5奈米厚的In0.03Ga0.97N阻擋層隔開。其中，15奈米厚的電子阻擋層由Al0.1Ga0.9N製成。用高清透射式電子顯微鏡觀察該異質結構，能夠發現由於局部應力鬆弛，活動區及電子阻擋層中有額外的錯位。

此前，研究團隊採用傳統LED晶片制備製程來生產300μm×300μm至10μm×10μm的LED。而之前制備的器件組合受V形缺陷的限制，即當它們經過整個結構時，就會從陽極到陰極之間產生一個電氣通路。為解決這個問題，用於生產最新一代發射器的製造製程包括增加一層保形層，透過化學機械拋光實現平面化。

同時，光致發光測量表明，襯底中銦含量的提升可推動Micro LED發射峰從635奈米升高至653奈米，波長更長，晶格參數就更高。

光提取效率、工作電壓、晶體品質是關鍵影響因素

從終端應用層面來看，Micro LED要在潛力較大的VR/AR顯示器等應用中採用，尺寸需要縮小至10微米以下，且據UCSB介紹，外量子效率應至少為2%-5%才能滿足Micro LED顯示器的需求。

研究團隊指出，10μm的Micro LED晶片在8A·cm-2條件下，外量子效率最高僅為0.14%，低於UCSB團隊0.2%的研發成果，而這主要是受光提取效率低的影響。

具體而言，法國研究團隊制備的Micro LED晶片，光從背面收集，但與P型接觸的襯底沒有覆蓋所有頂層的結構，也沒有金屬能夠阻止光從側壁流失。同時，由於經過背面的光需穿過超晶格、隱埋氧化物及藍寶石襯底，這一過程也影響了光提取效率。因此，光提取效率的實際數值難以預估，不過根據模擬顯示，光提取效率小於4%。

下一步，研究團隊還需努力提升光提取效率、降低工作電壓以及提高LED的晶體品質，才能改善Micro LED晶片的性能。儘管提升紅光Micro LED晶片效率道阻且長，但相信在研究團隊和技術開發商的共同努力下，終將取得更進一步的勝利。

（文：LEDinside Janice；首圖來源：pixabay）