《炬丰科技-半导体工艺》用于高效显示和通信的无磷白光 LED
书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：用于高效显示和通信的无磷白光 LED
编号：JFKJ-21-1169
作者：华林科纳
利用半极性黄色和蓝色氮化镓(InGaN)量子阱(QWs)开发了无磷“白色”发光二极管(leds)。低成本的“白色”led通常由蓝色InGaN设备组成，带有荧光粉层，将产生的一些光转换为黄色组件。
此外，该设备还展示了自然偏振方向，这可以在液晶显示器(lcd)中更有效地使用背光。此外，使在UCSB无荧光粉装置中电产生的蓝色和黄色光改善了调制带宽，提供了高速视觉光通信(VLC)的潜力。磷基光在光的吸收和发射之间存在延迟，以及能量损失。使用了来自日本三菱化学公司的半极性（20-21）散装氮化镓基质。大气压力金属有机化学气相沉积(AP-MOCVD)用于创建一个外延异质结构：2µm氮化镓，30周期2纳米/2纳米In0.06Ga0.94N/GaN超晶格，3纳米In0.28Ga0.72N黄色量子，30纳米氮化镓障碍，3纳米In0.13Ga0.87N蓝色量子，30纳米氮化镓间隔，15纳米AlGaN电子阻挡层，120纳米，和20纳米p±GaN接触。黄色和蓝色QWs的铟含量来源于原子探针断层扫描(APT)。
半极性材料的使用降低了量子约束斯塔克效应(QCSE)的捕获效率，即异质结构中化学键不同电荷极化的电场拉开电子和空穴，抑制它们重组成光子。随着发射波长的延长，这种效应的影响越来越大。用110nm的p-GaN上的氧化铟锡(ITO)透明导体和铝/镍/金金属n和p触点制备了一系列亚毫米和µLEDs。用四氯化硅反应离子蚀刻法形成了LED结构。采用离子束沉积法应用二氧化硅/五氧化二钽电介质全向反射器，并采用氧化铝盖。采用原子层沉积(ALD)二氧化硅作为50nm的钝化层对于设备的侧壁。
一个具有0.1mm2有效面积的常规LED在20mA电流注入和3.1V正向电压下获得了0.9mW的光输出功率。测量是在晶圆上进行的，该设备没有任何背面粗糙化，以增强光的提取。背面粗糙化，连同树脂封装和安装在银头中，应该使光输出增加大约三倍。与之前报道的无磷酸盐的白色半极性led相比，更高的光输出和较低的正向电压代表了“性能的显著改善”。
无荧光的白色半极性led。器件在20mA处的波长谱（图1 (a)电致发光光谱与10~100mA电流的关系；蓝色和黄色QWs在注入电流范围内的蓝/黄色强度比）由427nm（蓝色）和560nm（黄色）处的两个峰组成。半最大值(FWHMs)的全宽分别为18nm和38nm。蓝峰在电流注入的10-100mA范围内的变化小于1nm。相比之下，黄色峰在相同的范围内经历了13nm的蓝移。即便如
此，与传统的极c方向生长的器件相比，黄移也很小。
相对蓝含量随电流的增加而增加，蓝/黄强度比从0.14增加到0.24。研究人员认为，黄色发射是电流注入的电致发光和通过光致发光转化为黄色的蓝色光子的光泵浦的结合。
根据国际辐射委员会(CIE)（x、y）色度，该装置以20mA的（0.32、0.50）坐标发光。值得注意的是，通过操纵我们设计中的QWs数和/或铟成分，可以精确地对发射光谱、CIE和彩色渲染指数(CRI)进行定制。
发射的光也被发现部分偏振，这是由于InGaN层的价带的应变相关分离。在c平面器件中，发射的光是不偏振的。在0.41时，黄光的偏振率更大，而蓝色辐射的比例为0.34。单片白色LED的总比率为0.40。在液晶显示器中，偏振可以用来减少由于输入偏振光所造成的损失。对于c平面设备，通过偏光器片会失去超过一半的辐射功率。
为了评估用于VLC应用的led的切换能力，我们使用了微器件来实现高电流密度。3dB的调制带宽随电流密度的增加而增加（图2 (a)60µm边平方µLED的频率响应，不同尺寸平方µLEDs的(b)3dB调制带宽与电流密度的关系）。将这种改进归因于“内置电场的屏蔽和通过提高注入载流子密度来降低载流子寿命”。
此外，规模较小的设备的带宽也略高一些。具有20µm和40µm两侧的方形设备显示的带宽高达410MHz。非极性m平面蓝色led已经取得了更好的性能，但该团队希望“优化势垒/井的厚度和蓝色/黄色QWs的数量”，以提高黄色/蓝色led的带宽。在效率和调制带宽之间通常存在一种权衡。
通过整合直接生长在半极性（20-21）氮化镓衬底上的一次生长中的蓝色和黄色QWs，有望在整体白色led中实现较高的发光效率。”
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