Diode électroluminescente rouge GaN (LED) Epiwafer

Avec l’avènement de l’ère intelligente, la technologie d’affichage joue un rôle de plus en plus vital dans la vie quotidienne. Les avantages tels que la haute résolution, la luminosité élevée, le contraste élevé, la réponse rapide et la faible consommation d'énergie font des écrans Mini/Micro-LED de sérieux prétendants aux technologies d'affichage de nouvelle génération. Actuellement, les LED bleues et vertes peuvent être réalisées efficacement à l'aide du système de matériaux InGaN, tandis que les diodes électroluminescentes rouges reposent principalement sur le système de matériaux AlGaInP. Cependant, les diodes électroluminescentes rouges à base d'AlGaInP souffrent d'une baisse importante de l'efficacité quantique externe lorsque la taille des puces est réduite à l'échelle micrométrique, et elles présentent également une incompatibilité avec les LED bleues/vertes à base d'InGaN en termes de plage de tension et de distribution du champ lumineux. Ces problèmes limitent l’intégration et la fabrication d’écrans couleur Mini/Micro-LED. Par conséquent, le développement de diodes électroluminescentes rouges basées sur le système de matériaux InGaN pour obtenir des écrans couleur entièrement en nitrure est devenu une voie essentielle pour surmonter les goulots d'étranglement actuels dans la technologie d'affichage.

1. Spécifications des épiwafers à diodes électroluminescentes rouges

Alors que la recherche universitaire continue de progresser, certaines sociétés de semi-conducteurs ont déjà réalisé une production à petite échelle de plaquettes épiwafers à diodes électroluminescentes rouges à base de GaN. PAM-XIAMEN propose des épiwafers LED GaN sur saphir rouge de 4 pouces avec la structure typique et les paramètres de performances suivants :

1.1 Structure épitaxiale de diode électroluminescente rouge GaN de 4 pouces à base de saphir

Structure des couches	Épaisseur	Type de dopage
couche p-GaN	*	*
Région active de puits quantiques multiples	*	*
couche n-GaN	*	Si-dopé
Couche tampon UID GaN	*	—
Substrat saphir à motifs	650 μm	—

Remarque : Des épaisseurs spécifiques et des concentrations de dopage peuvent être personnalisées selon les exigences du client.

1.2 Performances du GaN sur l'épitaxie LED rouge saphir

Paramètre	Valeur typique	Écart type (STD)
Longueur d'onde du pic de photoluminescence	590-600 nm	≤7nm
DRX (002) FWHM	≤250arcsec	—
DRX (102) FWHM	≤350arcsec	—

 

2. Goulots d’étranglement techniques et mécanismes physiques de l’épitaxie par diode électroluminescente rouge InGaN

2.1 Défis des puits quantiques InGaN à haute composition en indium

Pour obtenir une émission rouge avec une longueur d'onde supérieure à 600 nm, la composition en indium dans les puits quantiques InGaN doit dépasser 30 %. Cependant, les matériaux InGaN à haute teneur en indium sont confrontés à trois défis techniques majeurs lors de l'épitaxie MOCVD :

• Forte contrainte de compression due à une inadéquation du réseau :Il existe une différence significative de constante de réseau entre InN et GaN. La couche d'InGaN à haute composition subit une forte contrainte de compression de la part du modèle GaN sous-jacent, qui supprime l'incorporation efficace d'indium.
• Dégradation de la qualité des matériaux :Sous une composition élevée en indium, les matériaux InGaN sont sujets à la séparation de phases, à la ségrégation de surface et à la formation de défauts à haute densité, réduisant considérablement l'efficacité lumineuse.
• Problèmes de compatibilité avec les processus existants :La plupart des solutions d'ingénierie de déformation (telles que le GaN poreux ou la croissance assistée par matériau 2D) sont incompatibles avec les procédés d'épitaxie LED bleu/vert à base de saphir matures, ce qui entrave l'industrialisation.

2.2 Logique de base de l'ingénierie des déformations

Étant donné que le rayon atomique de l'indium est plus grand que celui du gallium, l'augmentation de la constante de réseau de la surface du GaN est essentielle pour améliorer l'efficacité de l'incorporation de l'indium. En introduisant une contrainte de traction dans le modèle GaN, la contrainte de compression provoquée par l'inadéquation du réseau peut être partiellement compensée, créant ainsi des conditions de déformation plus favorables à la croissance de puits quantiques InGaN à haute teneur en indium.

3. Comparaison des techniques d’ingénierie de contrainte à haute efficacité pour les épiwafers GaN Red LED

3.1 Couche tampon composite induisant une contrainte de traction par coalescence des grains dans une plaquette de LED rouge

Chen et coll. (2023) ont proposé une couche tampon composite constituée d’une couche de nucléation d’AlN pulvérisée et d’une couche de GaN basse température MOCVD. En optimisant l'épaisseur de la couche de GaN à basse température (valeur optimale : 7 nm), lors de l'épitaxie de GaN à haute température ultérieure, les grains de GaN 3D fusionnent et génèrent une contrainte de traction, augmentant ainsi la constante de réseau de surface du GaN et améliorant considérablement l'efficacité d'incorporation d'indium dans les puits quantiques d'InGaN.

• Performances de l'appareil :Longueur d'onde maximale 629 nm, EQE de 7,4 % (@0,5 A/cm²)
• Avantage de faible densité de courant :Aucune baisse d'efficacité en dessous de 0,5 A/cm²
• Application d'affichage :Le panneau mini-LED couleur basé sur ces puces à diodes électroluminescentes rouges InGaN atteint 74,1 % de Rec. gamme de couleurs 2020

3.2 Modèle de relaxation des contraintes de la couche de décomposition InGaN

Hu et coll. (2023) ont proposé une couche de décomposition InGaN et une structure de couche d'arrêt de décomposition (DL-DSL SRT). Dans cette approche, une couche ultrafine d’InGaN est introduite avant la croissance du GaN à haute température. La décomposition thermique à haute température crée des nanovides qui libèrent efficacement les contraintes de compression dans la couche de GaN sus-jacente. Les couches de protection GaN cultivées à différentes températures contrôlent avec précision le processus de décomposition, obtenant une relaxation des contraintes tout en maintenant la rugosité de la surface en dessous de 1 nm.

• Uniformité de la longueur d'onde :Écart type de la longueur d'onde d'émission de seulement 3,4 nm sur une plaquette de 4 pouces
• Performances de l'appareil :Longueur d'onde maximale 634 nm, EQE de 1,3 % (@10 A/cm²)
• Compatibilité des processus :Hautement compatible avec les processus MOCVD conventionnels, adapté à la production de masse

À l’avenir, grâce à de nouvelles améliorations de l’efficacité quantique externe, à une optimisation continue de l’uniformité de la longueur d’onde et à une réduction efficace de la densité des défauts, la technologie d’affichage couleur entièrement nitrure accélérera sa transition de la recherche en laboratoire aux applications commerciales. Le développement d’une diode électroluminescente rouge haute performance basée sur GaN est un élément clé de cette transformation, ouvrant la voie à des écrans Mini/Micro-LED couleur véritablement intégrés.

Que vous ayez besoin de plaquettes LED GaN pour la recherche ou pour des applications industrielles, veuillez nous contacter par e-mail à[email protected]et[email protected].

 

Les références:

1. Chen, Z., Sheng, B., Liu, F., Liu, S., Li, D., Yuan, Z.,… et Wang, X. (2023). Mini-LED rouges InGaN à haute efficacité sur saphir vers des écrans couleur en nitrure : effet de la modulation de contrainte. Matériaux fonctionnels avancés, 33(26), 2300042.
2. Hu, J., Xing, K., Xia, Z., Sang, Y., Yang, X., Tao, T.,… et Liu, B. (2023). Uniformité d'émission à l'échelle d'une tranche de diodes électroluminescentes rouges à base d'InGaN sur un modèle de décomposition InGaN in situ. Lettres de physique appliquée, 123(11).