铟镓氮琥珀色纳米LED，外量子效率达10%
来自中国与马来西亚的研究团队报道：基于 铟镓氮 （InGaN）的传统纳米尺度 琥珀色 发光二极管，峰值 外量子效率 （EQE）达到 10%（文献 DOI：10.1063/5.0344152）。
该研究团队由厦门大学、厦门未来显示研究院、马来亚大学与南京大学共同组成。研究人员指出：“铝镓铟磷（AlGaInP）器件在持续缩小尺寸时会发生严重的效率崩塌；而本研究结果证明，InGaN 材料体系在纳米尺度下依然可以维持高效率。这一基准成果表明， 强载流子局域效应 与 尺寸增强型光提取 ，让自上而下工艺制备的 InGaN 红色纳米 LED，可在亚微米尺度实现高效电致发光。该性能并非采用纳米线架构实现，而是基于平面结构，兼容可规模化的晶圆级加工。”
研究人员认为，高效率长波长纳米 LED 是超高密度单片式 RGB 微型显示屏的核心器件，这类显示器件可用于增强现实 / 虚拟现实（AR/VR）系统。微型器件的效率通常会出现衰减，主要原因是非辐射载流子复合，以及侧壁处的电流泄漏；器件侧壁面积与器件体积之比随尺寸缩小而增大。
外延结构（图 1）采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在图形化蓝宝石衬底（PSS）上生长。该结构包含 In₀.₀₅Ga₀.₉₅N/GaN 超晶格（SL）；发光有源区由 5 层 AlGaN 盖层包裹的 In₀.₃Ga₀.₇N 多量子阱（MQW）构成，量子阱之间由 GaN 量子势垒（QB）隔开；Al₀.₂Ga₀.₈N 作为电子阻挡层（EBL）。
图 1：(a) 纳米 LED 外延结构设计；(b) 光致发光（PL）光谱；(c) 琥珀色 InGaN 有源区的荧光寿命成像显微（FLIM）图
该结构光致发光峰值波长为 608 nm。荧光寿命成像显微（FLIM）观测到显著的空间分布差异，证明存在载流子局域效应。研究团队表示：“虽然 FLIM 无法直接测量载流子横向扩散长度，但观测到的空间寿命分布说明，载流子局域效应会限制载流子的有效横向输运，从而减少超微型器件中侧壁相关非辐射复合中心捕获载流子的概率。”
制备圆形 LED（图 2），台面直径 840 nm。在 p 型接触层上沉积 60 nm 氧化铟锡（ITO）作为电流扩展层。侧壁钝化采用原子层沉积（ALD）氧化铝（Al₂O₃）与等离子体增强化学气相沉积（PECVD）二氧化硅（SiO₂）。铬 / 钛 / 金金属电极采用电子束蒸发（EB evaporation）制备。
图 2：(a) 器件制备工艺流程；(b) 完整器件的平面扫描电镜（SEM）照片；(c) 中心台面放大 SEM 图；(d) 倾斜视角 SEM 图；(e) 聚焦离子束（FIB）切割截面 SEM 图
在 1 A/cm² 电流密度注入条件下，器件电致发光（EL）峰值波长 608 nm，半高全宽（FWHM）48 nm。研究人员认为，“相比于已报道的典型电注入宽带长波长 InGaN 微 / 纳米 LED，该半高宽相对更窄。”
当电流密度提升至 50 A/cm² 时，EL 光谱蓝移 36 nm 至 572 nm。团队解释：低注入条件下，能量较低的局域态先被填充；大电流下，能量更高、波长更短的高能态被填充。高能态的载流子局域效应通常较弱，甚至可在整个器件内扩展分布。
研究人员指出：“与此同时，载流子浓度升高会屏蔽极化诱导电场，削弱量子限制斯塔克效应。光谱变化是局域态填充、注入诱发的载流子离域、带填充效应与极化电场屏蔽共同作用的结果。”
-5V 反向偏压下，反向漏电流密度约为 10⁻⁶ A/cm²。团队表示：“这种极低漏电流，得益于保形 ALD-Al₂O₃侧壁钝化层，有效抑制刻蚀侧壁处缺陷辅助导电通路。Al₂O₃层除钝化半导体刻蚀界面外，还可以保护侧壁，避免其直接暴露在后续 PECVD 等离子体环境中。”
直径 840 nm 的 LED 在 12 A/cm² 注入电流下，峰值 EQE 达到 10.1%（图 3）；更大的 20 μm 直径器件仅在 4 A/cm² 下达到 9.8% EQE。研究人员认为，微型器件更高的 外量子效率 来源于 尺寸增强光提取效率（LEE） 与强载流子局域效应。仿真结果显示，840 nm 器件光提取效率最高可达 80%。增强的光提取能力，抵消了微型器件侧壁非辐射复合增强带来的效率损失。