美研發出單片集成三色LED，未來將包含更多顏色組合

基於氮化銦鎵技術和現有的製造設施，應變工程可以為微顯示器提供一種可行的方法。

基於銦鎵氮化物（InGaN）多量子阱的應變工程，美國密歇根大學已經開發出單片集成的琥珀-綠-藍色LED（圖1）。該應變工程是通過蝕刻不同直徑的納米柱來實現。

圖1.各種直徑的納米柱LED陣列自上向下製造示意圖

研究人員希望未來能用635nm光致發光的量子阱生產出紅-綠-藍LED，為基於這種像素LED的微顯示器提供可行的方法。其他潛在應用包括照明、生物感測器和光遺傳學。

除了美國國家科學基金會（NSF）的支持外，三星還為製造和設備設計提供了支持。研究人員希望開發出基於現有製造基礎設施的晶元級多色LED平台。

外延材料通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在2英寸無圖案藍寶石上生長。發光有源區域由5個2.5nm InGaN阱組成，由12nm GaN柵極隔開。電子阻擋層和p-接觸層分別由20nm的氮化鋁鎵(p-Al0.2Ga0.8N)和150nm的p-GaN組成。

使用電子束光刻使納米柱成型，用鎳掩模進行混合乾濕法蝕刻處理。大部分蝕刻是乾的電感耦合等離子體，濕法蝕刻階段用於實現最終直徑，並且去除干法蝕刻步驟中的損害。蝕刻深度約為300nm。在整個製造過程中，保護蝕刻掩模，目的是為了保護p-GaN表面。

在對50nm氮化硅進行等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）之後，用旋塗式玻璃對結構進行平整，以電隔離n和p-GaN部分。

將平整後的結構進行乾式回蝕，以暴露柱的尖端。用硝酸溶液除去鎳掩模材料。 p接觸的鎳/金金屬化在空氣中進行熱退火。

設備的電氣性能在5V反向偏壓下顯示出每像素約3x10-7A的低泄漏。低泄漏歸因於兩個因素 - 扁平量子阱提供了低電流擁擠效應，以及由應變引發的載流子到納米柱中心的限制。在較窄的納米柱中由於更大的電流密度造成的下降效應的風險，可通過減小應變進行改善，因此降低了由於III-氮化物中化學鍵的電荷極化引起的電場而出現的量子限制「斯塔克效應」。

像素由具有不同直徑、發出不同顏色的柱構成（圖2）。隨著直徑的增加，波長變長，變化更大。研究人員將變化歸因於晶圓上量子阱厚度的變化。

圖2.（a）從50nm、100nm和800nm直徑的納米柱和薄膜LED像素獲得的藍色（487nm）、綠色（512nm）、橙色（575nm）和琥珀色（600nm）光的室溫電致發光光譜。（b）採用一維應力鬆弛理論得出的光波長。（c）各種施加偏置電壓下的主峰位置。

隨著電壓和電流注入的增加，越來越寬鬆的窄納米管也顯示較少的波長藍移。 800nm直徑納米柱像素的藍移在2.8V和4V之間為40nm。這歸功於研究團隊篩選阱中依賴於應變的壓電場。

該團隊通過脈衝頻率調製固定偏置電壓及改變強度，因此來穩定像素的輸出波長。通過這個試驗表明，所有像素類型給出了穩定的波長和相對電致發光強度，其與脈衝信號的占空比呈現幾乎線性地變化。脈衝寬度為400μs。 脈衝頻率在200Hz和2000Hz之間變化。

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