近日，中科院长春光机所应用光学国家重点实验室研究团队发现，随着尺寸的减小，Micro-LED芯片的外量子效率有所下降，但可承受的最大电流密度增加，高注入电流下散热性改善，且中心波长随注入电流的偏移减小，这说明小尺寸Micro-LED具有更好的电流扩展性能和散热性能。以上研究工作以《Size effects of AlGaInP red vertical micro-LEDs on silicon substrate》为题发表在Results in Physics上，樊凯莉博士为文章的第一作者，梁静秋研究员和王维彪研究员为文章的共同通讯作者。
Micro-LEDs由于其优越的性能被应用于微型显示器、可见光通信、光学生物芯片、可穿戴设备和生物传感器等诸多领域。获得高分辨率和高像素密度是使用 micro-LED 阵列显示器的关键技术挑战之一，因为它需要越来越小的芯片尺寸和像素间距。由于尺寸缩小，芯片的周长面积比增大，导致侧壁的表面复合增多，非辐射复合速率变大，从而导致效率下降。而器件制备过程中的ICP刻蚀，则加重了侧壁缺陷。另外，对于磷化Micro-LED，在较高的驱动电流下，热刺激LED的多量子阱有源区和电子阻挡层中的注入电子泄漏到LED结构的p侧，导致效率下降，即efficiency droop现象。因此，LED的散热性能对于磷化LED格外重要。
图1 Si衬底上红色垂直micro-LED的工艺流程。
本文采用低损伤刻蚀技术减小LED芯片侧壁缺陷，并采用散热性能更好的硅衬底代替GaAs衬底，即改善了LED芯片的散热性，又避免GaAs衬底对红光的吸收。实验结果表明，随着尺寸的减小，Micro-LED芯片的外量子效率有所下降，但可承受的最大电流密度增加，高注入电流下散热性改善，且中心波长随注入电流的偏移减小。
图2 (a)不同芯片尺寸下的电流-电压特性。(b)不同芯片尺寸的电流密度-电压特性。(c)电压和电流密度与芯片尺寸的关系。(d)不同芯片尺寸下理想系数对电流密度的影。
值得注意的是，对于不同尺寸的芯片，测量到的局部最小理想因子均为2.3。这表明通过侧壁处理可以缓解由于工艺技术原因引起的的尺寸效应。
图3 (a)五种芯片尺寸的电致发光图像。(b)不同芯片尺寸的光输出功率特性。
在电流密度不变的情况下，较小的micro-LED芯片的边缘更亮，这是因为较小的micro-LED芯片的电流扩展长度相对较大，导致边界处的电流密度较高。
综上，这种采用低损伤刻蚀技术的硅衬底AlGaInP红光micro-LED可以缓解由于工艺技术原因引起的的尺寸效应，这些实验结果为研究和制备小尺寸Micro-LED以及获得高分辨率的Micro-LED显示技术提供了新思路。该工作得到了国家重点研发计划、吉林省科技发展计划及应用光学国家重点实验室自主基金等项目的支持。
