摘要:设计制备了不同大小的单颗微缩化发光二极管(Micro-LED)和Micro-LED阵列. 其中, 单颗Micro-LED尺寸为40—100 μm, 其电极结构为共N极, P极单独引出; 阵列像素数量为8 × 8, 被动驱动结构, 像素大小为60 μm. 器件制备过程中使用厚光刻胶作掩膜, 刻蚀N型GaN外延片至衬底, 形成隔离槽. 通过优化电极结构和厚度, 提高了P电极在隔离槽爬坡处的可靠性; 使用现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)对Micro-LED被动阵列进行了驱动显示. 对于不同尺寸的单颗Micro-LED进行了电学、光学、热学等方面的测试分析. 结果表明: 随着尺寸的减小, Micro-LED所能承受的电流密度越大; Micro-LED与普通蓝光LED相比具有较大的k系数, 并且随着尺寸的减小, k系数的数值增大, 热稳定性不如传统蓝光LED. FPGA可以实现对Micro-LED被动阵列的良好驱动.
关键词: 微缩化发光二极管/
尺寸效应/
k系数/
被动驱动

English Abstract

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微缩化发光二极管(Micro-LED)相比有机发光二极管(OLED)、液晶显示器(LCD)具有响应速度快、对比度高、亮度高、使用寿命长等优势, 在显示领域的应用优势明显. 由于Micro-LED尺寸小, 因此可以制备成高像素密度(PPI)的显示面板, 在增强现实(AR)、虚拟现实(VR)等领域也有着巨大发展空间. 因此对Micro-LED的研究显得十分重要.
以蓝光LED为例, 普通小功率GaN蓝光LED尺寸为6 mil × 8 mil (约为150 μm × 200 μm), 驱动电流为10—30 mA. 而Micro-LED尺寸普遍小于100 μm × 100 μm, 随着Micro-LED尺寸的减小, 尺寸效应越来越明显. 2010年, Gong等^[1]研究了400 nm InGaN LED尺寸对LED光输出、光谱位移、自加热的影响. 2012年, Tian等^[2]制造了尺寸为105—106 μm的蓝光LED, 并研究了尺寸效应与Droop效应的关系. 2017年, Olivier等^[3]研究了尺寸效应对辐射和非辐射复合的关系, 并发现LED的尺寸对Shockley-Read-Hall Recombination(SRH)影响很大. 对俄歇复合没有影响. 2018年, Zhan等^[4]通过开尔文探针力显微镜(KPFM)和微光致发光等测试技术, 验证了在多量子阱(MQWs)区域, 小尺寸Micro-LED比大尺寸LED拥有更好的应力缓解和更低的极化程度.
应用方面, Micro-LED在显示领域发展迅速, 相比阴极射线显像管(CRT)、LCD、OLED这些传统显示面板技术, Micro-LED可以直接作为发光像素制作成显示面板. Micro-LED阵列结构分为主动驱动(positive)结构和被动驱动(passive)结构, 邰建鹏和郭伟玲^[5]总结了关于Micro-LED驱动结构、彩色化等技术. 2000年, Jin等^[6]制作了尺寸为12 μm, 像素间距为50 μm的Micro-LED阵列. 接着出现了Micro-LED被动显示阵列技术^[7-9], 将Micro-LED用于显示. Liu等^[10-13]和Deng等^[14]也在主动驱动阵列和倒装基板方面成果很多. 对于被动驱动结构, Choi等^[15]使用电感耦合等离子体(inductively coupled plasma, ICP)刻蚀方法, 实现了128 × 96数量的Micro-LED阵列像素隔离; Guo等^[16]使用“两步刻蚀法”优化了被动驱动Micro-LED阵列中ICP刻蚀工艺.
由于Micro-LED尺寸很小, 与传统LED相比, 其在光学、电学、热学方面有怎样的特点, 尺寸的变化对Micro-LED的影响如何, 这些都是本文研究的问题.
本文使用现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)开发板对Micro-LED被动阵列进行驱动显示, 其中开发板核心芯片为Altera公司的EP4 CE10 F19 C8芯片. 驱动采用逐行点亮方式. 行施加扫描选通信号, 列同步施加显示数据信号, 其中扫描所有行所需时间为320 ns.

本文采用商用GaN外延片, 其中P型GaN层厚为43 nm, Mg掺杂浓度为$ {7\times 10}^{19} $, 有源区厚为150 nm, N型GaN层诶2.3 μm, Si掺杂浓度为$ {2.6\times 10}^{19} $, 缓冲层厚为3.4 μm. 首先, 使用ICP刻蚀外延片至N型GaN层, 形成不同尺寸的Micro-LED N面台阶; 然后再使用厚光刻胶做掩膜, ICP刻蚀N型GaN至蓝宝石衬底形成单元隔离; 接着溅射铟锡氧化物半导体透明导电膜(ITO), 用湿法腐蚀法腐蚀ITO并退火; 然后通过蒸镀剥离方法制备N电极(Ti/Au); 使用等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)制备SiO₂绝缘层后使用湿法刻蚀方法腐蚀P-GaN和N电极Pad上的绝缘层, 露出电流扩展层和N电极Pad; 最后在电流扩展层上制备P电极. 其中不同尺寸的Micro-LED为共N极设计, 结构如图1(a), (b)所示; Micro-LED阵列的行像素共N极, 列像素共P极, 结构如图1(c), (d)所示.
图 1 (a) Micro-LED结构示意图; (b) 尺寸为40—100 μm的Micro-LED光学显微图; (c) Micro-LED阵列3D结构图; (d) 阵列光学显微镜图
Figure1. (a) Schematic structure of single Micro-LED; (b) the optical micrograph of the Micro-LEDs with diameters from 40 μm to 100 μm; (c) 3D structure diagram of passive Micro-LED array; (d) optical micrograph.

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3.1.光电特性测试

实验使用Keithley-b1500探针测试系统对不同尺寸的Micro-LED的I-V特性进行了测试; 在Keithley2400电流源变电流驱动下, 使用台湾尚泽光谱仪对Micro-LED进行了光学特性测试.
图2是不同尺寸Micro-LED的 I-V 特性曲线, 可以看出Micro-LED开启电压在2.6 V左右, 随着尺寸的降低, 串联电阻增加. 原因是尺寸的减小导致P电极与P GaN接触面积减小, 从而导致串联电阻的增加. 图3(a),(b)分别是Micro-LED的尺寸与光通量和辐射通量的关系. 可以看出, 从50 μm开始光通量和辐射通量有较大的下降, 原因是随着Micro-LED尺寸的减小电极面积对出光产生了较大的影响, 导致了辐射通量和光通量的下降. 从图3(b)中可以看出, 随着电流密度的增加辐射通量先增后降, 尺寸为100, 90和80 μm尤为明显, 主要原因是随着电流密度的增加Droop效应加剧, 效率下降导致量子阱处温度升高, 辐射通量下降. 也可以看出, 随着Micro-LED尺寸的减小, 其所能承受的电流密度越大, 其中100, 90和80 μm的峰值电流密度分别为1189.5, 1402.1和1869.2 A/cm².
图 2 不同尺寸的Micro-LED I-V曲线
Figure2. Size-dependent characteristics of current versus voltage (I-V).

图 3 Micro-LED的尺寸与光通量和辐射通量的关系　 (a) 光通量与电流密度的关系; (b) 辐射通量与电流密度的关系
Figure3. Size-dependent characteristics of luminous flux and radiant flux: (a) Current density versus luminous flux; (b) current density versus radiant flux.

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3.2.热学特性

本实验对40—100 μm尺寸的Micro-LED进行不同温度下电压进行测量, 并拟合出在不同驱动电流下Micro-LED尺寸和k系数关系曲线, 如图4所示; 并且测量出环境温度与Micro-LED辐射通量的关系曲线, 如图5所示. 其中图4(a)—(c)分别是在测试电流0.5, 2.0和5 mA下测得的不同尺寸Micro-LED电压随温度变化, 图4(d)是由图4(a)—(c)拟合后得到的k系数曲线.
图 4 不同测试电流下温度与电压的关系, 以及k系数与Micro-LED尺寸的关系　(a) 0.5 mA下温度与电压关系图; (b) 2 mA下温度与电压关系图; (c) 5 mA下温度与电压关系图; (d) 使用最小二乘法拟合图(a)—(c)得到的k系数与尺寸的关系曲线
Figure4. Temperature versus voltage curves with various test current, and Micro-LED size versus k coefficient: (a) Temperature versus voltage curves at 0.5 mA; (b) temperature versus voltage curves at 2 mA; (c) temperature versus voltage curves at 5 mA; (d) size and drive current versus k coefficient.

图 5 不同温度和测试电流下尺寸和辐射通量的关系
Figure5. Micro-LED pixel size versus radiant flux with different temperature and test current.

如图4所示, LED电压随温度变化的物理机制和二极管方程有关^[17]:

${V_{\rm{F}}} = {I_0}{{\rm{exp}}\Big[{\frac{{q\left( {{V_{\rm{F}}} - {R_{\rm{S}}}{I_{\rm{F}}}} \right)}}{{n{k_{\rm{B}}}T}}}}\Big], $

其中I₀是反向饱和电流, V_F, I_F分别是输入电压和输入电流, q为电子电荷, R_s是等效串联电阻, n为理论因子, k_B为玻耳兹曼常数.

${I_0} = A{{\rm{exp}}\Big[{\frac{{ - {E_{\rm{G}}}\left( T \right)}}{{n{k_{\rm{B}}}T}}}}\Big], $

式中A是与PN结的类型、掺杂浓度、几何尺寸以及构成PN结的材料等有关的系数, E_G(T)是温度T时的能带宽度,

${E_{\rm{G}}}\left( T \right) = {E_{\rm{G}}}\left( 0 \right) - \beta T.$

(3)式是Varsgni公式^[18], 它简单地描述了能带宽度和温度的关系. 根据(1)式—(3)式可以得出,

${V_{\rm{F}}} = \dfrac{{n{k_{\rm{B}}}T}}{q}\ln \left( {\dfrac{{{I_{\rm{F}}}}}{A}} \right) + \frac{{{E_{\rm{G}}}\left( 0 \right) - \beta T}}{q} + {R_{\rm{S}}}{I_{\rm{F}}}, $

再对(4)式两侧同时求微分, 得出k系数公式:

$k = \dfrac{{{\rm{d}}{V_{\rm{F}}}}}{{{\rm{d}}T}} = \dfrac{{n{k_{\rm{B}}}}}{q}\ln \left( {\dfrac{{{I_{\rm{F}}}}}{A}} \right) - \dfrac{\beta }{q} + \dfrac{{{\rm{d}}{R_{\rm{S}}}}}{{{\rm{d}}T}}{I_{\rm{F}}}.$

(5)式前两项可以看作常数, 对k系数影响较大的是第三项, 等效串联电阻随温度的变化. 尺寸的减小导致串联电阻变大, 因此(5)式可以很好地解释图4(d)中的k系数曲线.
图5是不同电流下温度变化对Micro-LED辐射通量的影响关系曲线, 可以看出, 温度升高降低了Micro-LED的辐射通量, 而且在大电流下这个现象更显著. 原因是温度升高会使内InGaN/GaN 量子阱中的载流子泄漏显著增加, 减少了Micro-LED的发光效率.

FPGA作为一种半定制硬件电路, 具有运行稳定、抗干扰强、速度快、设计灵活等优点, 可以作为Micro-LED被动阵列的外围驱动源. 也有使用专用集成电路(ASIC)、FPGA对Micro-LED被动阵列进行驱动的研究^[19,20]. 这证明FPGA在Micro-LED被动阵列驱动领域具有一定研究价值和应用价值. 结合被动驱动电路成本低、设计周期短、功耗低、被动矩阵有机发光二极管(PMOLED)技术中OLED寿命短等特点, 未来Micro-LED被动阵列替代PMOLED在可穿戴显示屏、手机副屏、音乐播放器显示屏等低分辨率小尺寸市场将有着广泛的应用.
本文中使用FPGA开发板对所制备的Micro-LED被动阵列进行了驱动显示, 其中图6(a)是显示样品, 将划片好的显示芯片粘接在印有外围电路的铝基板上, 使用金丝压焊的方法将芯片上的Pad与铝基板上的Pad进行连接. 最终使用FPGA开发板的通用输入输出接口(GPIO)驱动芯片, 点亮的显示阵列如图6(b)所示, 可以实现动态数字显示.
图 6 尺寸为60 μm的被动Micro-LED阵列使用FPGA进行驱动点亮　(a) 显示样品; (b) 点亮的显示阵列
Figure6. Passive picro-LED array whose pixel size is 60 μm, driven and lighted by FPGA: (a) Display sample; (b) display array light.

本实验制备了不同尺寸的Micro-LED和一种Micro-LED被动驱动阵列. 对于不同尺寸的单颗Micro-LED进行了电学、光学、热学特性的测试. 结果表明: 随着尺寸的减小, Micro-LED所能承受的电流密度越大; Micro-LED与普通蓝光LED相比具有较大的k系数, 文献[21]中蓝光LED在20 mA下的k系数为–2.9 mV/℃. 所以在相同测试条件下, Micro-LED的k系数较大. 并且随着尺寸的减小, k系数的数值增大, Micro-LED热稳定性不如传统蓝光LED. Micro-LED未来在显示领域将会有巨大的发展空间. 本文探索了FPGA对Micro-LED被动阵列驱动的可能性, 动态点亮了Micro-LED阵列, 说明FPGA在未来Micro-LED驱动应用中有着很大的潜力.