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MicroLED阵列

发光二极管(LED)是一种有吸引力的替代显示技术。LED的高发射率和低功耗有望对现实和移动设备显示器中使用的现有技术进行重大改进。为了覆盖显示器的全色域,LED像素包含排列成阵列的红色、蓝色和绿色的单个LED。因此,显示器的分辨率取决于单个LED的大小和间距。为了提高分辨率,可以减小发射器的尺寸,但其辐射强度也随之降低。为了使较小的常规LED达到相当的辐射强度,它们需要更高的输入功率,而这又会导致更高的散热要求。

六角形核壳柱

为了解决上述使用常规平面发射器的问题,研究人员已将注意力转向三维microLED(μLED)。这样的发射体的明显优点是表面积增加,而其中进一步增加的维数,允许在发射体的侧面形成量子阱。增加的维度还提供了进入各个晶面的通道。如果是GaN,它包含m平面,该m平面具有最 小的本征电场,可以减少量子限制斯塔克效应(QCSE)的影响,从而提高受激载流子的复合效率。

成分变化和缺陷


发射光谱的空间变化

GaN/InGaN核壳柱是典型的三维发射体。从这样的柱状物上观察阴极发光(CL)可以提取其根据位置变化的光谱信息。可将光谱信息中感兴趣的明显波段(例如GaN,InGaN和点缺陷带)在空间上对应显示。此外,在此分析示例中,InGaN量子阱有源层的成分Mapping显示,In的分数介于19%至26%之间并集中在顶点。Gatan Microscopy Suite® 中的非线性最 小二乘法(NLLS)光谱拟合工具可用于估算成分Mapping,并确定InGaN带隙与位置的关系。通过NLLS拟合确定能带隙,可以估算In的浓度:x,并通过观察InxGa1-xN关于x的理论能带隙,确定材料成分。到目前为止,我们掌握了有关CL光谱的发射信息,但是没有关于发射角度的信息,而这类形状的样品的发射是各向异性的。为了观察这种各向异性,可以使用角度分辨CL模式。


 

角度分辨阴极发光


 

当光从抛物面镜焦 点处的样品发出时,它会沿反射镜的轴线向下反射。在数学上,抛物面形状是1对1的。因此,光在准直镜上的反射位置对于样品发出的角度也是wei一的。因此,对抛物面收集镜的背板进行成像,即可获取角度发射信息。使用已知的镜像形状,可以将数据转换为极坐标表示,以便解释说明。

发射选择性和形状效应


 

对于单个的阵列外的microLED柱,角度分辨CL(ARCL)显示其在70˚方向上的发射强度比集成在整个柱子上的法线方向上的强约2.4倍。如人们所料,发射方向取决于ji发位置。实际上,与被ji发柱的侧面相反的方向上,发射强度最 高,并且包括干涉图案。强度的方向性的产生原因可能是受真空下LED柱表面的折射率差异引起的全内反射的影响,而干涉图案是由样品表面的反射所致。

microLED六角柱阵列


 

MicroLED最常见的排列方式是阵列结构。在这种情况下,阵列结构为六边形,柱宽(边到边)约为800 nm,周期(最近邻)约为2μm。这种使用GaN的阵列开启了光子影响光学性能的可能性。因此,在这样的阵列中观察它们以确定对发光的影响是非常重要的。

有效成分变化和缺陷


 

使用与先前观察阵 列外显示柱相同的数据进行采集,观察阵列内的单个柱子。同样,我们在该光谱图像中观察到每个扫描点的光谱,这可以对GaN,InGaN和点缺陷带的发射带进行Mapping,以及通过柱表面上的位置估算In的含量。这里我们可以估计InxGa1-xN中的In含量在11%至19%之间。


 

在对阵列内和阵列外的microLED柱进行比较时,可以观察到一些有趣的现象。正如人们期望的那样,在阵列外器件中,总的强度来自边缘,因为量子阱被直接ji发。而对于阵列内器件,光强在整个表面上的分布更均匀。不同位置光谱的观察进一步揭示了阵列内器件的整体强度的提高,尤其是在存在多个较小峰的500–600 nm范围内。GaN,InGaN和点缺陷带的色带图像甚至可以进一步消除这种差异。在这些图像中,阵列会影响每个ji发位置点产生不同的发射图。

 

一旦了解了阵列对光产生的影响,便可以根据波长探索发射的各向异性,以确定microLED在显示设备是否可行。为此,我们采用了波长和角度分辨CL(WARCL)技术,该技术包括波长信息和角度信息。这项技术揭示了发射的优先方向,并可以观察光子带隙。

 

下面是几种不同波长下的WARCL对比图。阵列外和阵列内LED均在垂直于柱子的方向上发出较弱的光。但阵列中的器件仍存在十分令人关注的特点,展示了WARCL技术对于microLED阵列研究的实用性。

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