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GaN基微缩化发光二极管尺寸效应和阵列显示

邰建鹏 郭伟玲 李梦梅 邓杰 陈佳昕

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GaN基微缩化发光二极管尺寸效应和阵列显示

邰建鹏, 郭伟玲, 李梦梅, 邓杰, 陈佳昕

GaN based micro-light-emitting diode size effect and array display

Tai Jian-Peng, Guo Wei-Ling, Li Meng-Mei, Deng Jie, Chen Jia-Xin
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  • 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.
    Single micro-light emitting diodes(LEDs) with different sizes and array micro-LED are designed and prepared, where the sizes of the single micro-LEDs are in a range of 40−100 μm, their electrodes are all co-N electrodes, P electrode is drawn out alone; the number of array pixels is $ 8\times8 $, which is a passively driving structure with a pixel size of 60 μm. In the process of device preparation, N electrode and P electrode are fabricated by the sputtering & stripping method. The electrode thickness is 2.4 μm. Thick photoresist 5120 is used as a mask, and N GaN is etched to the substrate by using the ICP dry etching to form an isolation trench. The PECVD technique is used to deposit an SiO2 insulating layer with a thickness of 10000 Å. By optimizing the electrode structure and thickness, the reliability of the P electrode at the slope of the isolation trench is improved, and the SiO2 insulating layer has good encapsulation; field programmable gate array (FPGA) is used to drive and display the micro-LED passive array. The single micro-LEDs of different sizes are tested and analyzed in the aspects of electrics, photics and thermotics and the results of which show that the current density corresponding to the peak radiation flux of 80 μm micro-LED is 1869.2 A/cm2, which is 57.1% higher than that of 100 μm micro-LED, indicating that the current density corresponding to the peak radiation flux of micro-LED increases as the size decreases; compared with the ordinary blue LED, the micro-LED has a large k factor, and with the size decreases, the value of the k factor increases, indicating that the micro-LED series resistance is larger, and the thermal stability is not so good as the traditional blue LED. Finally, the field programmable gate array (FPGA) can achieve a good drive for the micro-LED passive array. The driving principle is passive scanning driving, which is carried out in a row-by-row lighting mode. The FPGA clock is 50 MHz, and 320 ns is required for the circuit to scan all rows.
      通信作者: 郭伟玲, guoweiling@bjut.edu.cn
      Corresponding author: Guo Wei-Ling, guoweiling@bjut.edu.cn
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  • 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

    Fig. 1.  (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.

    图 2  不同尺寸的Micro-LED I-V曲线

    Fig. 2.  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

    Fig. 3.  Size-dependent characteristics of luminous flux and radiant flux: (a) Current density versus luminous flux; (b) current density versus radiant flux.

    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

    Fig. 4.  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

    Fig. 5.  Micro-LED pixel size versus radiant flux with different temperature and test current.

    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

    Fig. 6.  Passive picro-LED array whose pixel size is 60 μm, driven and lighted by FPGA: (a) Display sample; (b) display array light.

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-27
  • 修回日期:  2020-05-28
  • 上网日期:  2020-05-29
  • 刊出日期:  2020-09-05

GaN基微缩化发光二极管尺寸效应和阵列显示

  • 北京工业大学, 光电子技术教育部重点实验室, 北京 100124
  • 通信作者: 郭伟玲, guoweiling@bjut.edu.cn

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.

English Abstract

    • 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

      Figure 1.  (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.

    • 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

      Figure 2.  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

      Figure 3.  Size-dependent characteristics of luminous flux and radiant flux: (a) Current density versus luminous flux; (b) current density versus radiant flux.

    • 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

      Figure 4.  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

      Figure 5.  Micro-LED pixel size versus radiant flux with different temperature and test current.

      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, VF, IF分别是输入电压和输入电流, q为电子电荷, Rs是等效串联电阻, n为理论因子, kB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, EG(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

      Figure 6.  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.

参考文献 (21)

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