侧壁修复提升237 nm AlGaN基Micro-LED光功率密度研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2024.0274

人工晶体学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (6): 970-978.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2024.0274

侧壁修复提升237 nm AlGaN基Micro-LED光功率密度研究

郝家龙¹^,²(), 李宏博¹^,², 吕顺鹏¹^,²(), 朱立财¹^,², 孙文超¹^,², 张若甲¹^,², 刘钟旭¹^,², 蒋科¹^,², 贲建伟¹^,², 张山丽¹^,²(), 孙晓娟¹^,², 黎大兵¹^,²

^1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，特种发光科学与技术全国重点实验室，长春 130033
^2.中国科学院大学，北京 100049

收稿日期:2024-11-04 出版日期:2025-06-20 发布日期:2025-06-23
通信作者: 吕顺鹏，博士，研究员。E-mail：lvshunpeng@ciomp.ac.cn; 张山丽，助理研究员。E-mail：zhangshanli@ciomp.ac.cn
作者简介:郝家龙（2000—），男，四川省人，硕士研究生。E-mail：haojialong22@mails.ucas.ac.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFB3605103);国家杰出青年科学基金(62425408);国家自然科学基金青年基金(62204241);吉林省科技发展计划重点研发项目(20240302027GX);吉林省自然科学基金(20230101345JC);中国科学院BR计划(E30122E4M0)

Sidewall Repair Improves Optical Power Density of 237 nm AlGaN-Based Micro-LEDs

HAO Jialong¹^,²(), LI Hongbo¹^,², LYU Shunpeng¹^,²(), ZHU Licai¹^,², SUN Wenchao¹^,², ZHANG Ruojia¹^,², LIU Zhongxu¹^,², JIANG Ke¹^,², BEN Jianwei¹^,², ZHANG Shanli¹^,²(), SUN Xiaojuan¹^,², LI Dabing¹^,²

^1.State Key Laboratory of Luminescence Science and Technology，Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2024-11-04 Online:2025-06-20 Published:2025-06-23

摘要/Abstract

摘要： AlGaN基深紫外Micro-LED在无掩膜光刻、日盲紫外保密通信等领域具有重要应用前景。然而，侧壁效应和电流拥挤效应严重制约高电流密度下的光功率密度。本研究制备了发光波长237 nm，台面半径分别为12.5、25.0、50.0 μm的深紫外Micro-LED，并系统探究了侧壁修复对不同尺寸和不同阵列化Micro-LED的影响规律。研究发现，使用KOH修复侧壁可有效降低AlGaN基深紫外Micro-LED侧壁缺陷密度，减小反向漏电流密度，同时降低由侧壁缺陷导致的肖特基-里德-霍尔（SRH）非辐射复合。对于单台面器件，器件尺寸越小，最大光功率密度越高，但侧壁效应严重制约着小尺寸器件的光功率密度，导致小尺寸器件在低电流密度下光功率密度最低，侧壁修复后，半径12.5 μm的器件峰值光功率密度提升最多，提升了186%，且在不同电流密度下光功率密度均最高；对于相同发光面积的阵列化器件，侧壁修复后，阵列化程度越高，光功率密度越高，4×4阵列12.5 μm的Micro-LED比半径50.0 μm的器件峰值光功率密度提高了116%，其原因是在保持较低侧壁缺陷的情况下，阵列化可以提高电流密度分布均匀性，进而提高光效。该研究有助于提高Micro-LED的光功率密度，并将推动短波深紫外Micro-LED走向实际应用。

关键词: 侧壁效应; 电流拥挤效应; AlGaN micro-LED; 侧壁修复; 阵列化工程

Abstract: AlGaN-based deep ultraviolet Micro-LEDs have important applications in maskless lithography， deep ultraviolet non-line-of-sight communication and other fields. However， the sidewall effect and current crowding effect seriously restrict the optical power density of Micro-LEDs under high current density. In this work， 237 nm deep ultraviolet Micro-LEDs with mesa radiuses of 12.5， 25.0 and 50.0 μm were prepared， and the effects of sidewall repair on different sized and different arrayed Micro-LEDs were systematically studied. It is revealed that KOH solution effectively reduces the sidewall defect density of AlGaN-based deep ultraviolet Micro-LEDs， and contributes to a lower reverse leakage current density and Shockley-Read-Hall （SRH） non-radiative recombination caused by these sidewall defects. For single mesa devices， a smaller sized device owns a higher maximum optical power density， but the sidewall effect seriously restricts the optical power density of the smaller sized device， resulting in the lowest optical power density of the 12.5 μm sized device at low current density. After sidewall repair， the peak optical power density of the 12.5 μm sized device increases by 186%， and the optical power density is the highest at all current density range. For arrayed devices with an identical mesa area， after the sidewall repair， a bigger matrix contributes to a higher optical power density. The peak optical power density of the 4×4 arrayed 12.5 μm sized Micro-LED increases by 116% compared to the 50 μm sized device. The underlying reason is that a bigger matrix can improve the uniformity of current density distribution and the light efficiency while maintaining low sidewall defects. This study is helpful to improve the optical power density of Micro-LEDs and will promote the practical application of short-wavelength deep ultraviolet Micro-LEDs.

Key words: sidewall effect; current crowding effect; AlGaN micro-LED; sidewall repair; array engineering

中图分类号:

TN312⁺.8

郝家龙, 李宏博, 吕顺鹏, 朱立财, 孙文超, 张若甲, 刘钟旭, 蒋科, 贲建伟, 张山丽, 孙晓娟, 黎大兵. 侧壁修复提升237 nm AlGaN基Micro-LED光功率密度研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(6): 970-978.

HAO Jialong, LI Hongbo, LYU Shunpeng, ZHU Licai, SUN Wenchao, ZHANG Ruojia, LIU Zhongxu, JIANG Ke, BEN Jianwei, ZHANG Shanli, SUN Xiaojuan, LI Dabing. Sidewall Repair Improves Optical Power Density of 237 nm AlGaN-Based Micro-LEDs[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(6): 970-978.

图/表 6

图1 （a）外延层结构示意图；（b）~（d）Micro-LED结构示意图；（e）Micro-LED实物显微镜图；（f）外延层电致发光（EL）谱

Fig.1 （a） Schematic diagram of the epitaxial layer structure；（b）~（d） schematic diagrams of Micro-LED structures；（e） optical microscope image of Micro-LED；（f） electroluminescence （EL） spectra of the epitaxial layers

表1 Micro-LED基本信息

Table 1 Basic information of Micro LED

Sample	Mesa radius/μm	Matrix	p-contact radius/μm
S1	12.5	1×1	7.5
S2	25.0	1×1	20.0
S3	50.0	1×1	45.0
S4	25.0	2×2	20.0
S5	12.5	4×4	7.5

图2 S1、S2和S3修复侧壁前（a）和修复侧壁后（b）的电流密度-电压特性曲线；S1、S2和S3修复侧壁前（c）和修复侧壁后（d）的光功率密度-电流密度特性曲线。

Fig.2 Current density-voltage characteristic curves of S1， S2， S3 before （a） and after （b） the sidewall repair； optical power density-current density characteristic curves of S1， S2， S3 before （c） and after （d） the sidewall repair

图3 不同尺寸Micro-LED的仿真结果（未考虑侧壁效应）。（a）电流密度-电压特性曲线；（b）光功率密度-电流密度特性曲线；（c）IQE与电流密度的关系曲线；（d）量子阱中载流子浓度横向分布（图中小插图为数据截取位置示意图）

Fig.3 Simulation results of Micro-LEDs of different sizes （without considering sidewall effects）. （a） Current density-voltage characteristic curves；（b） optical power density-current density characteristic curves；（c） relationship curves between IQE and current density；（d） lateral distribution of carrier concentration in the quantum wells （the small inset in the figure is a schematic diagram of the data extraction position）

图4 器件电流路径示意图。（a）单台面；（b）阵列化台面

Fig.4 Schematic diagram of the device current path. （a） Single mesa；（b） arrayed mesa

图5 S3、S4和S5修复侧壁前（a）和修复侧壁后（b）的电流密度-电压特性曲线；S3、S4和S5修复侧壁前（c）和修复侧壁后（d）的光功率密度-电流密度特性曲线

Fig.5 Current density-voltage characteristic curves of S3， S4， S5 before （a） and after （b） sidewall repair； optical power density-current density characteristic curves of S3， S4， S5 before （c） and after （d） sidewall repair

参考文献 40

1	LI D B， JIANG K， SUN X J， et al. AlGaN photonics： recent advances in materials and ultraviolet devices［J］. Advances in Optics and Photonics， 2018， 10（1）： 43.
2	周　政，缪文南，李　亚，等. 可见光通信中GaN-LED PN结面积对调制带宽的影响机理［J］. 光学精密工程， 2020， 28（7）： 1494-1499.
	ZHOU Z， MIAO W N， LI Y， et al. Influence mechanism of GaN-LED’s PN junction area on modulation bandwidth in visible light communication［J］. Optics and Precision Engineering， 2020， 28（7）： 1494-1499 （in Chinese）.
3	TIAN P F， SHAN X Y， ZHU S J， et al. AlGaN ultraviolet micro-LEDs［J］. IEEE Journal of Quantum Electronics， 2022， 58（4）： 1-14.
4	LEE V W， TWU N， KYMISSIS I. Micro-LED technologies and applications［J］. Information Display， 2016， 32（6）： 16-23.
5	YU H B， YAO J K， MEMON M H， et al. Vertically integrated self-monitoring AlGaN-based deep ultraviolet micro-LED array with photodetector via a transparent sapphire substrate toward stable and compact maskless photolithography application［J］. Laser & Photonics Reviews， 2024： 2401220.
6	FENG F， ZHANG K， LIU Y B， et al. AlGaN-based deep-UV micro-LED array for quantum dots converted display with ultra-wide color gamut［J］. IEEE Electron Device Letters， 2022， 43（1）： 60-63.
7	王丁可，胡海龙，郭太良，等. 超高分辨LED显示［J］. 发光学报， 2023， 44（10）： 1721-1732.
	WANG D K， HU H L， GUO T L， et al. Ultra-high resolution LED display［J］. Chinese Journal of Luminescence， 2023， 44（10）： 1721-1732 （in Chinese）.
8	郭春辉，孙雪娇，郭　凯，等. 紫外光通信用日盲型LED研究进展［J］. 发光学报， 2023， 44（10）： 1849-1861.
	GUO C H， SUN X J， GUO K， et al. Recent progress of solar blind light emitting diodes for ultraviolet optical wireless communication use［J］. Chinese Journal of Luminescence， 2023， 44（10）： 1849-1861 （in Chinese）.
9	KIM D Y， PARK J H， LEE J W， et al. Overcoming the fundamental light-extraction efficiency limitations of deep ultraviolet light-emitting diodes by utilizing transverse-magnetic-dominant emission［J］. Light： Science & Applications， 2015， 4（4）： e263.
10	KNEISSL M， SEONG T Y， HAN J， et al. The emergence and prospects of deep-ultraviolet light-emitting diode technologies［J］. Nature Photonics， 2019， 13： 233-244.
11	杨杭，黄文俊，张胡梦圆，等. GaN基Micro-LED的外量子效率研究（英文）［J］. 半导体光电， 2022， 43（3）：522-528.
	YANG H， HUANG W J， ZHANG-HU M Y， et al. Investigation of external quantum efficiency of GaN-based Micro-LEDs［J］. Semiconductor Optoelectronics， 2022， 43（3）： 522-528.
12	HWANG S， ISLAM M， ZHANG B， et al. A hybrid micro-pixel based deep ultraviolet light-emitting diode lamp［J］. Applied Physics Express， 2011， 4（1）： 012102.
13	周　佳，闫金健，刘志强，等. Micro LED当前面临的瓶颈及技术进展［J］. 光电子技术， 2023， 43（2）： 91-113.
	ZHOU J， YAN J J， LIU Z Q， et al. The current bottleneck and technical progress of micro LED［J］. Optoelectronic Technology， 2023， 43（2）： 91-113 （in Chinese）.
14	LU S P， ZHANG Y P， ZHANG Z H， et al. High-performance triangular miniaturized-LEDs for high current and power density applications［J］. ACS Photonics， 2021， 8（8）： 2304-2310.
15	LU S P， LIU W， ZHANG Z H， et al. Low thermal-mass LEDs： size effect and limits［J］. Optics Express， 2014， 22（26）： 32200-32207.
16	OLIVIER F， DAAMI A， LICITRA C， et al. Shockley-Read-Hall and auger non-radiative recombination in GaN based LEDs： a size effect study［J］. Applied Physics Letters， 2017， 111（2）： 022104.
17	王玮东，楚春双，张丹扬，等. 俄歇复合、电子泄漏和空穴注入对深紫外发光二极管效率衰退的影响（英文）［J］. 发光学报， 2021， 42（7）：897-903.
	WANG W D， CHU C S， ZHANG D Y， et al. Impact of auger recombination， electron leakage and hole injection on efficiency droop for DUV LEDs［J］. Chinese Journal of Luminescence， 2021， 42（7）： 897-903.
18	蔡　鑫，徐　俞，曹　冰，等. Micro-LED的侧壁损伤以及光学特性［J］. 人工晶体学报， 2023， 52（5）： 812-817.
	CAI X， XU Y， CAO B， et al. Sidewall damage and optical properties of micro-LED［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2023， 52（5）： 812-817 （in Chinese）.
19	KOU J Q， SHEN C C， SHAO H， et al. Impact of the surface recombination on InGaN/GaN-based blue micro-light emitting diodes［J］. Optics Express， 2019， 27（12）： A643-A653.
20	MA Z H， JI Y， HU T G， et al. Numerical analysis of the influence of sidewall defects on AlGaN-based deep ultraviolet micro-light emitting diodes［J］. Current Applied Physics， 2024， 67： 101-106.
21	PARK J H， PRISTOVSEK M， CAI W T， et al. Dislocation suppresses sidewall-surface recombination of micro-LEDs［J］. Laser & Photonics Reviews， 2023， 17（10）： 2300199.
22	MEHNKE F， TRINH X T， PINGEL H， et al. Electronic properties of Si-doped Al _x Ga_1- _x N with aluminum mole fractions above 80%［J］. 2016， 120（14）： 145702.
23	JIANG K， SUN X J， SHI Z M， et al. Quantum engineering of non-equilibrium efficient p-doping in ultra-wide band-gap nitrides［J］. Light， Science & Applications， 2021， 10（1）： 69.
24	HASAN M S， MEHEDI I M， FARUK REZA S M， et al. Analytical investigation of activation energy for Mg-doped p-AlGaN［J］. Optical and Quantum Electronics， 2020， 52（7）： 348.
25	YU H B， MEMON M H， WANG D H， et al. AlGaN-based deep ultraviolet micro-LED emitting at 275 nm［J］. Optics Letters， 2021， 46（13）： 3271-3274. DOI PMID
26	FENG F， ZHANG K， LIU Y B， et al. AlGaN-based deep-UV micro-LED array for quantum dots converted display with ultra-wide color gamut［J］. IEEE Electron Device Letters， 2022， 43（1）： 60-63.
27	LIU Z Y， LU Y， CAO H C， et al. Etching-free pixel definition in InGaN green micro-LEDs［J］. Light， Science & Applications， 2024， 13（1）： 117.
28	LEE D H， LEE J H， PARK J S， et al. Improving the leakage characteristics and efficiency of GaN-based micro-light-emitting diode with optimized passivation［J］. ECS Journal of Solid State Science and Technology， 2020， 9（5）： 055001.
29	WONG M S， HWANG D， ALHASSAN A I， et al. High efficiency of III-nitride micro-light-emitting diodes by sidewall passivation using atomic layer deposition［J］. Optics Express， 2018， 26（16）： 21324-21331. DOI PMID
30	TIAN P F， MCKENDRY J J D， GONG Z， et al. Size-dependent efficiency and efficiency droop of blue InGaN micro-light emitting diodes［J］. Applied Physics Letters， 2012， 101（23）： 231110.
31	WONG M S， LEE C M， MYERS D J， et al. Size-independent peak efficiency of III-nitride micro-light-emitting-diodes using chemical treatment and sidewall passivation［J］. Applied Physics Express， 2019， 12（9）： 097004.
32	ZHU Z F， TAO T， LIU B， et al. Improved optical and electrical characteristics of GaN-based micro-LEDs by optimized sidewall passivation［J］. Micromachines， 2022， 14（1）： 10.
33	ELIASHEVICH I， LI Y X， OSINSKY A， et al. InGaN blue light-emitting diodes with optimized n-GaN layer［C］// Light-Emitting Diodes： Research， Manufacturing， and Applications III. San Jose， CA. SPIE， 1999： 28-36.
34	HAO G D， TANIGUCHI M， TAMARI N， et al. Current crowding and self-heating effects in AlGaN-based flip-chip deep-ultraviolet light-emitting diodes［J］. Journal of Physics D： Applied Physics， 2018， 51（3）： 035103.
35	LU S P， BAI J X， LI H B， et al. 240 nm AlGaN-based deep ultraviolet micro-LEDs： size effect versus edge effect［J］. Journal of Semiconductors， 2024， 45（1）： 012504.
36	WANG Z， SHAN X Y， ZHU S J， et al. Size-dependent sidewall defect effect of GaN blue micro-LEDs by photoluminescence and fluorescence lifetime imaging［J］. Optics Letters， 2023， 48（18）： 4845-4848. DOI PMID
37	TAI J P， GUO W L， LI M M， et al. GaN based micro-light-emitting diode size effect and array display［J］. Acta Physica Sinica， 2020， 69（17）： 177301.
38	LIANG K L， KUO W H， LIN C C， et al. The size-dependent photonic characteristics of colloidal-quantum-dot-enhanced micro-LEDs［J］. Micromachines， 2023， 14（3）： 589.
39	MCKENDRY J J D， GREEN R P， KELLY A E， et al. High-speed visible light communications using individual pixels in a micro light-emitting diode array［J］. IEEE Photonics Technology Letters， 2010， 22（18）： 1346-1348.
40	LI H B， LU S P， ZHU L C， et al. Efficiency boosting of 236 nm AlGaN-based micro-LEDs［J］. Journal of Physics D： Applied Physics， 2025， 58（1）： 015109.

[1]	李鹏程, 周军, 王伟刚, 吴坤尧, 李兆. Li₂Mg₃TiO₆：Eu³⁺红色荧光粉的合成及其在白光LED上的应用[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(4): 643-651.
[2]	孟晓燕, 甘欣, 王春洋, 朱瑶贤, 杨流赛, 吴丽丹, 董洪霞. CaMoO₄：Dy³⁺/Sm³⁺白光荧光粉的设计、合成及发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(4): 663-673.
[3]	李明明, 熊飞兵, 杨伟斌, 胡正开, 白鑫, 李婧, 林雅晴, 黄俊雄. 新型红色荧光粉K₅Gd(MoO₄)₄:xSm³⁺,yEu³⁺的发光性能分析[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(12): 2150-2159.
[4]	贺小敏, 唐佩正, 刘若琪, 宋欣洋, 胡继超, 苏汉. AlN/β-Ga₂O₃HEMT频率特性仿真研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(8): 1361-1368.
[5]	伍仕停, 余春燕, 方佳庆, 徐阳, 翟光美. ZnSe基蓝光量子点的中间壳层结构调控及其发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(7): 1160-1169.
[6]	贺小敏, 唐佩正, 张宏伟, 张昭, 胡继超, 李群, 蒲红斌. AlN/β-Ga₂O₃HEMT直流特性仿真[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(5): 766-772.
[7]	李玉强, 杨健, 王帅, 郑基源, 赵炎, 周恒为, 刘玉学. 高热稳定CaGdAlO₄∶Er³⁺/Yb³⁺荧光粉的上转换发光及其温度传感性能[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(4): 649-655.
[8]	孟晓燕, 廖云, 张丽蓉, 张雨蒙, 吴丽丹, 杨流赛. GdPO₄∶Tb³⁺荧光粉的制备及发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(1): 107-114.
[9]	梁财安, 董海亮, 贾志刚, 贾伟, 梁建, 许并社. 1 060 nm锑化物应变补偿有源区激光二极管仿真及其性能研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(9): 1624-1634.
[10]	蔡鑫, 徐俞, 曹冰, 徐科. Micro-LED的侧壁损伤以及光学特性[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(5): 812-817.
[11]	崔瑞瑞, 赵荣力, 袁高峰, 凌易, 邓朝勇, 龚新勇. Sr₃ZnNb₂O₉∶0.3Eu³⁺, xNa⁺荧光粉的合成和发光性能研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(1): 132-138.
[12]	崔瑞瑞, 陈倩, 张鑫, 邓朝勇. Ba₃Bi₂(PO₄)₄∶Tb³⁺荧光粉的制备与性能研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 1069-1075.
[13]	张鑫, 崔瑞瑞, 袁高峰, 邓朝勇. 橙红色荧光粉Ca₂GdNbO₆∶Sm³⁺,Na⁺的制备及发光性能[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(12): 2262-2268.
[14]	袁博, 祁超超, 张相挺, 栾国颜. 颜色可调Ca₂LaTaO₆∶Dy³⁺,Tb³⁺荧光粉的制备、发光性能及能量传递[J]. 人工晶体学报, 2021, 50(9): 1715-1722.
[15]	蒋小康, 张王曦月, 高峰, 周恒为. Dy³⁺掺杂Y₂MgTiO₆荧光粉的制备及发光性质研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(10): 1809-1815.

侧壁修复提升237 nm AlGaN基Micro-LED光功率密度研究

Sidewall Repair Improves Optical Power Density of 237 nm AlGaN-Based Micro-LEDs

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 6

参考文献 40

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价