由于调制带宽较大、响应速度快、安全性能高，基于Micro-LED的可见光通信技术逐渐成为人们关注的技术热点。此外，由于材料的化学性质稳定、功耗低、使用寿命长，因此基于Micro-LED的显示技术得到广泛关注和研究投入；而为了满足超高分辨率的显示需求，LED尺寸需要进一步减小，因此可见光通信技术和新一代显示技术都需要制备高发光效率的Micro-LED。
一、Micro-LED侧壁效应的机理研究
一般而言，芯片尺寸的减小有助于释放在外延过程中因晶格失配而产生的应力来改善发光效率，而且会使得芯片内部电流扩展更加均匀，降低芯片内部的结温，同时还能在一定程度上提高光提取效率。尽管小尺寸的LED芯片具有诸多优势，但是当LED芯片的尺寸减小到50 ?m以下时，LED芯片的外量子效率会随着尺寸的减小而急剧下降，这主要是由于芯片在刻蚀的过程中会在侧壁区域产生严重损伤，导致载流子在侧壁区域被与缺陷相关的SRH复合所消耗；之前的大量研究工作都是侧重于改进侧壁钝化层的制备工艺技术，然而在最大程度提高外量子效率之前，充分理解Micro-LED内部载流子注入和电子-空穴复合过程显得尤为重要，因此，明确有关侧壁缺陷对载流子注入的影响及所涉及的物理机制可以有针对性地对Micro-LED结构设计进行充分优化。
依托于Crosslight的半导体器件设计平台，天津赛米卡尔科技有限公司技术团队、河北工业大学第三代半导体器件研究组针对此问题将从四个方面入手：其一，揭示Micro-LED中的尺寸效应，即随着器件尺寸减小，外量子效率急剧衰退的根本物理原因；其二，揭示侧壁缺陷对Micro-LED发光过程的影响，结合理论计算，剖析电子陷阱和空穴陷阱对载流子输运的影响，从而提出抑制尺寸效应的可行性方案；其三，通过频率调制模型揭示Micro-LED器件的截止频率随着器件尺寸的减小而逐渐增加，这对可见光通讯的发展具有重要的理论指导意义；其四，通过Micro-LED光子输运模型揭示了合理器件结构的设计可有效避免Micro-LED内部的crosstalk效应，提高全彩显示质量。
为了探究蓝光Micro-LED尺寸效应的物理机制，设计了三组不同尺寸的对比研究实验，分别为20 × 20 ?m?, 60 × 60 ?m? 和100 × 100 ?m?。在此项研究工作中，选用了两个不同的物理模型来对蓝光Micro-LED进行研究。如图所示，在模型一中没有考虑器件由于刻蚀产生的侧壁缺陷，例如：LED Ⅰ、LED Ⅱ和LED Ⅲ，而在模型二中则充分考虑器件在刻蚀过程中产生的侧壁缺陷，并引入表面缺陷复合模型，例如：LED A、LED B和LED C。
通过LED Ⅰ、LED Ⅱ和LED Ⅲ可以发现，外量子效率和光输出功率随着器件尺寸的减小而增加，这是因为器件尺寸的减小有利于改善器件内部电流扩展，从而导致外量子效率和光输出功率的增加。如果在计算过程中考虑表面缺陷，通过对比可以发现，LED A、LED B 和LED C三个器件的外量子效率和光输出功率均低于LED Ⅰ、LED Ⅱ和LED Ⅲ三个器件的性能，因为缺陷相关的非辐射复合过程消耗了部分载流子，导致性能下降。然后，进一步对比研究LED A、LED B 和LED C可发现，当考虑器件侧壁缺陷后，外量子效率和光输出功率随着器件尺寸的减小而显著降低。虽然小尺寸器件的电流扩展有所改善，但是缺陷相关的表面复合发挥了更加主导的作用，严重制约了器件的发光性能。此外，为了进一步验证模型的准确性，本项工作制备了100 ?m和20 ?m Micro-LED器件，通过对比发现，基于模型二仿真计算的LED A和LED C外量子效率和插图中的实验数据趋势极其吻合。通过对仿真和实验数据充分分析，可以得出随着Micro-LED表面与体积比的增加，侧壁缺陷对于器件性能的影响则不容忽视。因此，这也更加说明表面复合模型对于Micro-LED的仿真计算是非常重要的。
由于侧壁缺陷位于器件台面边缘部分，器件内部的横向载流子分布必然非常重要。图（a）中观察的现象与先前文献的报道非常一致，即电流拥挤发生在p电极下方，并且当远离p电极时载流子浓度逐渐降低。然而，由于LED C侧壁缺陷的存在，器件台面边缘区域的载流子浓度迅速下降。因此一旦载流子到达了Micro-LED台面边缘区域，大量载流子则会被侧壁缺陷捕获，并发生与缺陷相关的非辐射复合。本项研究工作深层次分析了Micro-LED的器件物理，对进一步制备基于Micro-LED的高分辨微纳显示设备和多通道可见光通信系统具有重要的推动作用。
二、通过调控电流扩展来减小Micro-LED的侧壁效应
针对于Micro-LED侧壁效应造成器件性能不佳问题，需要对有源区的参数进行重新的优化设计，尽可能地减小载流子的扩散长度，远离器件台面边缘区域。为此，天津赛米卡尔科技有限公司技术团队、河北工业大学第三代半导体器件研究组依托Crosslight的半导体器件设计平台，提出借助调控电流扩展策略来减少蓝光Micro-LED的侧壁效应：通过减薄量子垒厚度，减小了电流的横向扩展，抑制了Micro-LED侧壁的缺陷复合。
从上图中可以看出，对于LED I、II和III而言，量子垒厚度较小的Micro-LED的发光效率较高，这主要是由于量子垒厚度的适当减薄可以有效降低器件的垂直电阻率，进而抑制电流的横向扩展，使电流更少地扩展到侧壁缺陷。此外，较薄的量子垒厚度可以降低价带的势垒高度，有助于空穴注入到有源区中，促进辐射复合的过程。此外，技术团队的实验结果与仿真结果也达到了高度的吻合。
为了深入揭示量子垒厚度对电流扩展的影响，技术团队计算了在40 A/cm?注入电流密度下具有不同量子垒厚度的Micro-LED在最靠近p-EBL一侧量子阱中的空穴浓度分布，从图中可以看出随着量子垒厚度的减薄，空穴更趋向于分布在台面以内。
最后研究了LED I, II和III在边缘缺陷处非辐射复合和辐射复合的占比情况，研究结果表明：随着量子垒厚度的减薄，有源区中非辐射复合与辐射复合的比值减小，这可以充分说明量子垒厚度的适当减薄可以有效控制电流的横向扩展，从而有助于抑制侧壁缺陷处的表面复合。
三、电流扩展对Micro-LED调频带宽的影响
为了协助研究人员理清影响Micro-LED器件工作频率的诸多敏感参数，赛米卡尔技术团队已开发出可靠精准的Micro-LED频率调制模型。基于此模型研究发现，450 nm Micro-LED器件的截止频率随着器件尺寸的减小而逐渐增加，该趋势也较好地吻合了实验结果[涉及技术保密，不便展示]。Micro-LED频率特性的研究对Micro-LED在可见光通信领域的应用大有裨益，也顺应了眼下追求高频器件的必然趋势，极具重要的理论指导意义，这有利于我国在半导体高频器件领域的技术进步，助力我国电子信息产业的蓬勃发展。
四、基于Micro-LED全彩显示的光学设计
天津赛米卡尔科技有限公司技术团队、河北工业大学第三代半导体器件研究组依托Crosslight的半导体器件设计平台开发出Micro-LED光子输运模型，通过封装前后Micro-LED远场分布的对比可以看出：设置封装参数后，倒装结构Micro-LED出光主要集中于下表面，且光提取得到大幅度提升。合理的设计器件，能够有效的避免Micro-LED内部的crosstalk效应，提高全彩显示质量。
基于APSYS软件中的先进光学模块，天津赛米卡尔科技有限公司技术团队、河北工业大学第三代半导体器件研究组研究了倒装蓝光Micro-LED器件三维结构各个面的透射光强度分布，图为不同蓝宝石衬底厚度下的倒装Micro-LED芯片的顶部和底部的出光强度分布。研究发现去掉蓝宝石衬底时的光场分布范围更小，这也在一定程度上有效减小了crosstalk效应。通过对Micro-LED的光子输运行为的研究，我们可以计算分析出Micro-LED器件的三维出光分布。同时根据特定的需求可以设计出不同封装结构或者表面涂层结构，并计算和观察各个出光面的光强度分布。此外，通过Micro-LED结合低维量子点、荧光粉等颜色转换材料，可全面分析影响全彩显示质量的关键参数，旨在致力于为全彩显示技术的长足发展提供理论指导。
参考文献：
[1]. Jianquan Kou, et al. Impact of the surface recombination on InGaN/GaN-based blue micro-light emitting diodes. Optics Express, 06/2019; 27(12): A643. 文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.27.00A643.
[2]. Le Chang, et al. Alternative Strategy to Reduce Surface Recombination for InGaN/GaN Micro-light-Emitting Diodes—Thinning the Quantum Barriers to Manage the Current Spreading. Nanoscale Research Letters, 文章链接：https://doi.org/10.1186/s11671-020-03372-3(见刊中).
本篇文章仅代表天津赛米卡尔科技有限公司技术团队观点，不代表材料深一度公众号立场，如有技术探讨，请联系该团队，感谢您的理解。
