交流驅(qū)動無電學(xué)接觸GaN 基Micro-LED 器件光電特性

郭韞韻， 翁書臣， 鄒振游， 許海龍，王浩楠， 周雄圖，， 吳朝興，， 張永愛，*

（1. 福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院， 福建 福州 350116；2. 中國福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實驗室， 福建 福州 350108）

1 引 言

微型發(fā)光二極管（Micro-light emitting diode，Micro-LED）具有高亮度、易集成化、高分辨率、長壽命、低功耗和高響應(yīng)速度等優(yōu)點，有望成為下一代主流顯示技術(shù)[1]。Micro-LED 顯示技術(shù)發(fā)展涵蓋了微顯示、中小尺寸顯示和大尺寸商顯[2-5]，在穿戴顯示設(shè)備、5G 超高清顯示、微型顯示、透明顯示、柔性顯示、AR/VR等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場景[6-11]。

Micro-LED 顯示性能優(yōu)異，但其商業(yè)化與產(chǎn)業(yè)化仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)[12-16]。隨著Micro-LED器件的微型化，一系列技術(shù)問題隨之出現(xiàn)，如尺寸效應(yīng)、高速巨量轉(zhuǎn)移、發(fā)光器件與驅(qū)動背板的高精度鍵合等問題[1,17-18]。為了實現(xiàn)外部載流子的高效注入，傳統(tǒng)Micro-LED 器件外部驅(qū)動電極需與發(fā)光器件之間形成穩(wěn)定的歐姆接觸，這對發(fā)光器件與驅(qū)動背板的精準(zhǔn)鍵合技術(shù)提出了極高的技術(shù)挑戰(zhàn)[19-23]。此外，在載流子注入模式下，電壓和電流的波動將會引起Micro-LED 器件的亮度波動，從而影響顯示質(zhì)量[24-28]。為解決上述問題，研究者提出了一種無電學(xué)接觸（Non-electrical contact，NEC）模式驅(qū)動氮化鎵基（GaN）Micro-LED 器件的全新技術(shù)方案[29-32]。2021 年，Wang 等提出一種采用聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）作為絕緣材料的無電學(xué)接觸型μLED 器件，實現(xiàn)了10 ～ 150 kHz、50 ～ 300 Vpp條件下的穩(wěn)定發(fā)光[33]；2022 年，Li 等提出一種單端電學(xué)接觸型Micro-LED 器件結(jié)構(gòu)，有望應(yīng)用于微顯示檢測[34]。目前，Micro-LED 器件結(jié)構(gòu)主要有垂直、倒裝和正裝結(jié)構(gòu)，因此驅(qū)動電場可以選擇垂直方向和水平方向。水平方向電場驅(qū)動的Micro-LED，電場兩端的電場線相互平行；垂直方向電場驅(qū)動的Micro-LED，電場兩端的電場線方向與器件垂直。與水平結(jié)構(gòu)的Micro-LED 器件相比，垂直結(jié)構(gòu)的Micro-LED 驅(qū)動電壓更低，發(fā)光能力更穩(wěn)定，亮度也更強(qiáng)。

因此，本文設(shè)計并制備了一種基于垂直結(jié)構(gòu)的交流驅(qū)動NEC Micro-LED 器件，在器件兩端施加交流驅(qū)動信號，研究NEC Micro-LED 器件的光電性能。

2 實 驗

本實驗選用經(jīng)過表面處理的藍(lán)寶石襯底，利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（Metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD）、光刻技術(shù)和等離子體干法刻蝕制備Micro-LED 器件，器件尺寸為37 μm×94 μm。為了實現(xiàn)無電學(xué)接觸，防止外部載流子注入器件，本實驗采用原子層沉積技術(shù)（Atomic layer deposition，ALD）在Micro-LED 芯片的p-GaN 表面沉積一層高介電常數(shù)、高透明度的Al2O3絕緣層。圖1（a）為本實驗垂直結(jié)構(gòu)GaN 基NEC Micro-LED 器件結(jié)構(gòu)示意圖，圖1（b）為NEC Micro-LED 器件驅(qū)動示意圖。從上至下分別為Al2O3絕緣層（15 nm）、p-GaN（0.65 μm）、多量子阱（Multiple quantum wells，MQWs，）（141 nm）、n-GaN（2 μm）、u-GaN（4 μm）以及藍(lán)寶石襯底，驅(qū)動信號施加在Al2O3和藍(lán)寶石襯底的兩端。其中，MQWs 勢阱層In0.2Ga0.8N 為3 nm，勢壘層GaN 為15 nm，共7 個周期（7 個阱8 個壘）。圖1（c）為NEC Micro-LED 器件的SEM 形貌圖，圖1（d）為器件表面Al2O3薄膜的原子力顯微鏡形貌圖。從圖中可以看出，Micro-LED 芯片生長質(zhì)量良好，Al2O3薄膜平均粗糙度大約為2.6 nm，有利于NEC Micro-LED 器件的交流驅(qū)動。

本實驗利用功率放大器（Aigtek，ATA2161、ATA122D）與函數(shù)信號發(fā)生器（RIGOL，DG4162）產(chǎn)生正弦交流驅(qū)動信號，驅(qū)動電壓峰峰值（Vpp）最高可達(dá)1 600 V，頻率最高可達(dá)22 MHz。采用示波器（RIGOL，DS7024）、高壓差分探頭（RIGOL，RP1025D）、光電倍增管（SENS-TECH，DM0090 C）、雪崩光電探測器（Thorlabs，APD120A2/M）以及遠(yuǎn)方光譜儀采集器件的發(fā)光波形圖像和光學(xué)性能。本實驗全程在SCG 真空探針臺（SEMISHARE，SCG-0-2）上進(jìn)行。實驗中器件交流電壓均為峰峰值（Vpp），器件電流為交流峰值電流。

3 結(jié)果與討論

3.1 直流和交流驅(qū)動Micro-LED 器件的光電特性

圖2 為傳統(tǒng)Micro-LED 器件在直流和交流驅(qū)動下的光電特性曲線。圖2（a）為直流驅(qū)動Micro-LED 器件的伏安特性（Current-voltage，I-V）曲線，定義Micro-LED 器件開始發(fā)光時的電壓為Micro-LED 器件的開啟電壓。當(dāng)器件處于反向偏置時，反向電流幾乎為0 A。當(dāng)器件處于正向偏置時，該器件的開啟電壓為5 V 左右，在電壓小于開啟電壓時，器件的電流趨近于0 A；當(dāng)電壓大于開啟電壓時，隨電壓的增大，電流呈指數(shù)增長趨勢，當(dāng)電壓大于15 V 時Micro-LED 器件會被擊穿。圖2（b）為Micro-LED 器件的相對亮度-電壓特性曲線，為了降低環(huán)境光對測試結(jié)果的影響，對亮度進(jìn)行歸一化處理。當(dāng)電壓大于開啟電壓時，器件的亮度隨著電壓的增大呈指數(shù)增長，與其I-V特性曲線的變化趨勢基本相同。

圖2 Micro-LED 的直流光電特性曲線：（a）I-V 特性，（b）相對亮度-電壓特性。 Micro-LED 的交流光電特性曲線：（c）I-V 特性，（d）開啟電壓-頻率特性，（e）亮度-電壓特性，（f）相對亮度-頻率特性。Fig.2 Photoelectric performance of Micro-LED device in DC mode：（a）I-V curves at different frequencies， （b）relative luminance versus voltage. Photoelectric performance of Micro-LED device in AC mode： （c）I-V curve， （d）opening voltage versus frequency， （e）luminance versus voltage， （f）relative luminance versus frequency.

圖2（c）為傳統(tǒng)Micro-LED 器件在交流驅(qū)動下的I-V特性曲線。從圖中可以看出，Micro-LED 器件的I-V特性曲線接近線性。在不同頻率下對Micro-LED 器件的開啟電壓進(jìn)行測試，結(jié)果如圖2（d）所示。從圖中可看出，交流驅(qū)動模式下的Micro-LED 器件開啟電壓大于直流驅(qū)動模式下的開啟電壓，與頻率變化呈正相關(guān)，且在較高的頻率范圍內(nèi)（50 kHz～2 MHz），開啟電壓與頻率呈線性關(guān)系。圖2（e）為1 kHz 頻率下，在不同電壓下Micro-LED 器件的亮度變化曲線。當(dāng)驅(qū)動電壓大于開啟電壓，其發(fā)光亮度與電壓呈正相關(guān)，且升高的趨勢趨于線性，與I-V特性曲線的趨勢類似。圖2（f）為傳統(tǒng)Micro-LED 器件在交流驅(qū)動模式下的相對亮度-頻率特性曲線。從圖中可以看出，當(dāng)頻率為100 Hz 時，Micro-LED 器件亮度達(dá)到最大亮度值的90.3%，且在100 Hz～20 kHz 的頻率范圍內(nèi)，器件亮度一直保持大于最大亮度值的90%；當(dāng)頻率大于20 kHz，器件發(fā)光性能開始減弱；當(dāng)頻率達(dá)到80 kHz 附近時，器件基本不發(fā)光。這是因為隨著頻率的升高，載流子無法充分復(fù)合發(fā)光，最終導(dǎo)致器件亮度極低。因此，Micro-LED 器件在較低頻率下就能發(fā)揮出器件的發(fā)光性能，且在一個較大的頻率范圍內(nèi)都能保持90%以上的發(fā)光亮度，但超過這個范圍，器件發(fā)光性能開始減弱，直至無法發(fā)光。

在直流驅(qū)動和交流驅(qū)動模式下，通過研究傳統(tǒng)GaN 基Micro-LED 器件的光電特性，有助于開展垂直結(jié)構(gòu)型GaN 基NEC Micro-LED 器件的性能研究。

3.2 NEC Micro-LED 器件的光電特性

3.2.1 電學(xué)特性

垂直結(jié)構(gòu)NEC Micro-LED 器件的RC（Resistor-capacitance，RC）等效電路如圖3（a）所示。其中Rexternal為與器件串聯(lián)的一個外部電阻，C1、C2為Micro-LED 與絕緣層之間的等效電容，CLED為與pn 結(jié)有關(guān)的電容，RLED為體半導(dǎo)體和MQWs 的電阻。由于絕緣層的存在，器件的電路模型可等效為電阻電容并聯(lián)電路。

圖3 （a）交流驅(qū)動NEC Micro-LED 器件的等效電路；（b）I-V 特性曲線；（c）電流-頻率曲線；（d）電流超前效應(yīng)。Fig.3 （a）Equivalent circuit model of AC-driven NEC Micro-LED. （b）I-V curves at different frequencies. （c）Current-frequency curves in different applied voltages. （d）Current leading effect.

圖3 （b）為器件在不同頻率下的I-V特性曲線。從圖中可以看出，器件的I-V特性曲線趨于線性。當(dāng)頻率固定時，NEC Micro-LED 器件的阻抗穩(wěn)定，不隨工作電壓的變化而改變。實驗中Micro-LED 器件在直流驅(qū)動下的擊穿電壓在15 V左右，而在電壓為70 Vpp甚至更高時，NEC Micro-LED 器件仍可正常工作。這說明NEC Micro-LED器件的耐高壓能力比傳統(tǒng)Micro-LED 器件強(qiáng)。圖3（c）為不同電壓驅(qū)動下，交流驅(qū)動NEC Micro-LED 器件的電流-頻率曲線。隨著頻率的增加，電流先快速增大，隨后趨于平穩(wěn)，穩(wěn)定時所能達(dá)到的最大電流為12 mA 左右。即隨著驅(qū)動信號頻率的增大，器件等效阻抗先快速減小后趨于穩(wěn)定。由于NEC Micro-LED 器件具有電容特性[35]，當(dāng)交流正弦信號驅(qū)動時，流經(jīng)器件的電流和作用在器件兩端的電壓存在著相位差。通過采集器件兩端的電壓和回路的電流，實驗結(jié)果如圖3（d），從圖中可以看出，電流波峰超前于電壓波峰，這說明NEC Micro-LED 器件的電路存在電流超前效應(yīng)。

3.2.2 光學(xué)特性

在直流和交流驅(qū)動模式下，傳統(tǒng)Micro-LED器件發(fā)光機(jī)理均是通過電極注入空穴和電子實現(xiàn)連續(xù)的電致發(fā)光。由于絕緣層阻擋了外部載流子的注入，NEC Micro-LED 器件只利用器件內(nèi)部固有的載流子復(fù)合發(fā)光。在交流電場的驅(qū)動下，器件內(nèi)部的載流子向MQWs 漂移，并在MQWs 內(nèi)周期性地復(fù)合發(fā)光[31-33]。因此，驅(qū)動信號的頻率和電壓幅度會直接影響NEC Micro-LED 器件的發(fā)光特性。

利用光電倍增管采集NEC Micro-LED 器件產(chǎn)生的光子數(shù)，探究NEC Micro-LED 器件的亮度-頻率特性曲線，實驗結(jié)果如圖4（a）所示。當(dāng)信號電壓固定時，隨著頻率逐漸增加，器件亮度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。實驗中，當(dāng)器件亮度達(dá)到最大值時所對應(yīng)的頻率定義為器件最佳頻率。當(dāng)頻率高于最佳頻率時，器件發(fā)光亮度驟降直至為0。因為當(dāng)頻率過高時，驅(qū)動電場轉(zhuǎn)向過快，載流子還未復(fù)合而電場方向已經(jīng)改變，嚴(yán)重影響了器件內(nèi)部載流子輻射復(fù)合效率。此外，從圖中可以看出，電壓幅度也會影響NEC Micro-LED 器件亮度。

圖4 NEC Micro-LED 器件的光學(xué)特性曲線。 （a）亮度-頻率特性曲線；（b）亮度-電壓曲線（其中紅色曲線為線性擬合所得）；（c）最佳頻率-電壓曲線；（d）亮度-電壓特性曲線；（e）發(fā)光波長隨電壓變化曲線；（f）發(fā)光波長隨頻率變化曲線。Fig.4 Optical characteristic curves of NEC Micro-LED. （a）Luminance versus frequency in different applied voltages. （b）Luminance versus voltage（the red curve is obtained by linear fitting）.（c）Optimum frequency-voltage curves.（d）Luminance versus voltage at different frequencies. （e）Electroluminescence spectra at different voltages. （f）Electroluminescence spectra at different frequencies.

圖4 （b）為最佳頻率下的NEC Micro-LED 器件亮度與電壓變化曲線，器件最大亮度與電壓呈線性關(guān)系。圖4（c）為NEC Micro-LED 器件的最佳頻率與電壓變化曲線，從圖中可看出，NEC Micro-LED 器件的最佳頻率隨著電壓的增大而增大。這說明驅(qū)動電壓大小影響了器件的發(fā)光特性，驅(qū)動電壓越大，越有利于激發(fā)NEC Micro-LED 器件的復(fù)合發(fā)光，器件最佳頻率也隨之升高。圖4（d）是NEC Micro-LED 器件亮度隨電壓變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)頻率固定時，驅(qū)動電壓越大，器件亮度就越強(qiáng)。因為電場強(qiáng)度增大，器件內(nèi)部載流子輻射復(fù)合的速度變快，載流子復(fù)合數(shù)量越多，器件亮度越高。但是過大的電壓可能會擊穿器件，所以驅(qū)動電壓不宜過大。

圖4（e）為不同電壓下（10 ～70 Vpp）器件的電致發(fā)光光譜。從圖中可看出，隨著電壓增大，器件峰值波長出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，峰值波長從436.80 nm偏移至432.07 nm，偏移了4.73 nm 左右。圖4（f）為不同頻率下（8 ～18 MHz）器件的電致發(fā)光光譜。隨著頻率增大，器件峰值波長出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，峰值波長從435.05 nm 移動至432.35 nm，器件的峰值波長偏移了2.7 nm 左右。

通過雪崩光電探測器和示波器分別采集相對亮度和驅(qū)動電壓信號，圖5 為交流驅(qū)動NEC Micro-LED 器件的發(fā)光波形與電壓曲線，其中紅色曲線為相對亮度變化曲線，黑色曲線為驅(qū)動電壓信號，插圖為器件發(fā)光照片。驅(qū)動信號的頻率為10 MHz、電壓幅度為15 Vpp。從圖中可以看出，在一個正弦交流信號周期里，NEC Micro-LED 器件只發(fā)光一次且僅在正半周期發(fā)光。

圖5 交流驅(qū)動NEC Micro-LED 器件的發(fā)光波形與電壓曲線，插圖為器件發(fā)光照片。Fig.5 Luminescence and voltage waveform of the AC-driven device. The inset is a luminous image of the device.

在正弦交流信號的正半周期，NEC Micro-LED 器件內(nèi)部的載流子向MQWs 漂移，并在MQWs 內(nèi)輻射復(fù)合發(fā)光。同時，多數(shù)載流子的漂移會產(chǎn)生一個方向與驅(qū)動電場相反的感生電場，抑制載流子的擴(kuò)散，最終終止輻射復(fù)合過程。在正弦交流信號的負(fù)半周期，正半周期形成的感生電場被消除，器件內(nèi)部的載流子逐漸回到平衡狀態(tài)，為下一個發(fā)光周期做準(zhǔn)備。因此在周期性變化的信號驅(qū)動下，NEC Micro-LED 器件能保持穩(wěn)定的周期性電致發(fā)光[36-38]。

此外，從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，NEC Micro-LED器件的發(fā)光波形滯后于驅(qū)動電壓信號，存在發(fā)光延遲效應(yīng)。這說明電荷需先在器件兩端的絕緣層累積并形成電場，隨后驅(qū)動器件內(nèi)部載流子運動至MQWs 復(fù)合發(fā)光。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種垂直結(jié)構(gòu)的交流驅(qū)動NEC Micro-LED 器件，通過MOCVD 和ALD 技術(shù)成功制備了NEC Micro-LED 器件，并研究了其光電特性。與常規(guī)Micro-LED 器件不同，藍(lán)寶石襯底和Al2O3絕緣層使得NEC Micro-LED 器件與外部電極之間無電學(xué)接觸，在交流驅(qū)動條件下只利用器件內(nèi)部固有的載流子輻射復(fù)合發(fā)光。當(dāng)器件兩端施加交流驅(qū)動信號時，該器件的電路模型可等效為RC 電路。隨著交流驅(qū)動信號頻率增大，器件等效阻抗先快速減小后趨于穩(wěn)定。當(dāng)驅(qū)動信號頻率固定時，器件I-V特性曲線呈線性關(guān)系，器件等效阻抗穩(wěn)定，發(fā)光亮度隨驅(qū)動電壓的增大而增強(qiáng)。而當(dāng)驅(qū)動信號電壓固定時，器件發(fā)光亮度隨頻率逐漸增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在16～22 MHz 頻率范圍內(nèi)達(dá)到最大亮度。此外，回路呈電容特性，NEC Micro-LED 器件存在電流超前效應(yīng)與發(fā)光延遲效應(yīng)。綜上，與傳統(tǒng)Micro-LED 器件相比，NEC Micro-LED 器件與外部驅(qū)動電路不需形成歐姆接觸，即可在交流驅(qū)動信號下實現(xiàn)內(nèi)部載流子的周期性復(fù)合發(fā)光，有望解決Micro-LED 微型化帶來的巨量轉(zhuǎn)移與高精度鍵合、發(fā)光芯片與驅(qū)動電極高穩(wěn)定性接觸等技術(shù)問題，為未來Micro-LED 顯示技術(shù)發(fā)展提供了新思路。

本文專家審稿意見及作者回復(fù)內(nèi)容的下載地址：http://cjl. lightpublishing. cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20230234.