量子效率测试：Micro-LED量子效率的研究进展

纤锌矿GaN作为第三代半导体发光材料，具有合适的带隙、高的击穿电压、优良的热导率、高的电子饱和速率及抗辐射能力等特点，适合制作耐高温、抗辐射的大功率发光半导体器件。随着理论研究与制造技术的发展，发光二极管（light-emitting diode, LED）的应用领域由最初的照明领域逐步拓展至显示领域，这就对LED的性能提出了更高的要求。目前，LED主要朝着小尺寸、高功率、柔性可折叠等方向演化。

01 传统LED、Mini-LED、Micro-LED

传统LED、Mini-LED、Micro-LED是依据尺寸来区别的。一般来说，传统LED的横向尺寸大于200 μm，Mini-LED的横向尺寸为100～200 μm，Micro-LED的横向尺寸小于100 μm，尺寸的减小不仅代表功耗的降低，而且还可以带来超高的分辨率、不可比拟的亮度、更快的响应时间、更长的使用寿命。显示器性能见表1。Micro-LED在显示、通信、医疗、能源等领域有着十分广泛的应用前景。

表 1主流显示器与Micro-LED显示器性能对比

Micro-LED发展过程中，始终受到生产良率与尺寸效应影响，其光电转化效率较低，而且随着芯片尺寸的减小其效率也呈断崖式下降。此外，相比于传统发光技术，Micro-LED管芯单元与管芯间距更小，这就要求其具有比较高的亮度。高亮度则需要Micro-LED管芯在大注入电流下工作。增大注入电流，会引起电流拥挤效应，其光电转化效率会进一步发生衰减；并且，这种效应会随着电流增大而进一步加剧。因此，如何提升Micro-LED光电转化效率及亮度成为业内的研究热点。

02 Micro-LED量子效率

光电转化效率是评价LED等电致发光器件性能的重要参数。电能输入到LED，最后以光与热的形式输出，光电转化效率较低就意味着电能大多转化为热能。热量积聚会导致管芯温度的升高，从而直接影响管芯的稳定性及寿命。Micro-LED光电转化效率可以用量子效率来表示，主要由内量子效率（internal quantum efficiency, IQE）、光提取效率（light extraction efficiency, LEE）、外量子效率（external quantum efficiency, EQE）3个部分构成，见式（1）～式（3）。

式中：ηIQE为内量子效率；ηEQE为外量子效率；ηLEE为光提取效率、PINT为有源区发出的光功率；P为辐射到环境的光功率；h为普朗克常量；v为光的频率；I为注入电流；e为电子电荷。内量子效率决定辐射复合产生的光子数量，但产生的光子并不能全部辐射到外部空间，在发射过程中，一部分会被管芯本身吸收，另一部分被折射回管芯内部，两者最终都以热的形式散失。光提取效率反映发光结构的合理性。外量子效率是评价LED综合性能的指标，也是三者中唯一能够通过试验测试出来的。但究其根本，内量子效率的提升将直接影响管芯的整体性能。

03 内量子效率

GaN基LED发光结构主要由n-GaN、p-GaN、GaN/InGaN量子阱3个部分组成（见图1）。电子和空穴在量子阱处发生复合，释放能量。LED中电子和空穴的复合分为辐射复合与非辐射复合两种方式。在量子阱内，电子被1个位于能带内的游离状态的空穴俘获，并发生复合，同时放出能量为hν的光子，该过程称为辐射复合。电子与空穴复合过程中，若能量以光能以外的形式释放，则该过程称为非辐射复合，非辐射复合主要有shockley-read-hall（SRH）复合、俄歇复合以及深能级复合等。

图 1管芯3种封装结构模型

Micro-LED 的工作原理本质上是pn结在正向电压下电致发光，是由pn结内部注入少数载流子且在特定能级发生辐射复合，该过程通过电子与空穴在有源区直接辐射复合产生光子，所以内量子效率直接受辐射复合的电子−空穴对的数量影响。GaN内部的极性、内应变、量子阱材料晶格匹配度等都会影响电子、空穴的产生与复合。此外，GaN材料的生长质量对辐射复合影响很大。材料中的位错、空位等缺陷处能量较高，能够作为非辐射复合中心俘获电子或空穴，能量以热能的形式损耗。载流子对量子效率的影响也不容忽视。量子阱内的电子略多于空穴时，辐射复合率较高；但如果电子过多，则容易泄漏出有源区，并直接在有源区外发生非辐射复合，从而导致辐射效率下降。

电子与空穴复合时，如果把能量或动量通过碰撞转移给其他粒子并产生热效应，造成该粒子发生跃迁，此复合过程称为俄歇复合。此外，如果管芯材料生长过程中存在大量缺陷，电子与空穴很容易被缺陷俘获，从而发生SRH复合与深能级复合。这3种非辐射复合是导致电致发光半导体器件内量子效率损失的根本原因。目前内量子效率很难在试验中测量，只能依靠经验公式进行推导。业内普遍认可ABC内量子效率计算模型（式4）。2017年Olivier等利用该模型计算了低温下GaN基LED内量子效率随尺寸的变化，计算结果表明，B与C对尺寸的依赖性不大，A对尺寸的依赖性较大。通过检测外量子效率的试验方法佐证，发现计算结果与试验结果差别甚微。

式中：n为载流子浓度；A为SRH复合相关系数；B为辐射复合相关系数；C为俄歇复合相关系数。

计算理论的深入研究与计算机技术的进步也为计算内量子效率提供了便捷，特别是有限元思想引入半导体后，使得计算Micro-LED内量子效率简单了许多。借助有限元多物理场仿真可以很快地计算出量子效率，同时可以创新优化所设计的结构，预测相应的试验结果，但是有限元只能计算特定ABC系数下的内量子效率，无法理解深层次的微观机制，特别是GaN内部极化及缺陷状态、有源区晶格失配现象等原子微观结构，这就无法将材料本征参数与计算系数联系成有机的整体。

04 光提取效率

Micro-LED有源区辐射复合产生的光子从管芯结构逸出到外部空间需要经过复杂的路径，光子逃逸的每一步都会因半导体材料、电极、衬底等部件的吸收而损失一部分光子。此外，由于管芯结构中材料的折射率与自由空间的折射率存在较大差异（nGaN=2.47，nair=1.00），根据菲涅尔损耗效应和全反射定律，某些角度范围内的光子在管芯结构和自由空间的分界面处被全反射回半导体内，这就限制了GaN基Micro-LED光提取效率的提升。

LED出光过程中，无论是射向出光面和侧壁的光子，还是射向衬底及非出光面的光子，不仅会发生全反射现象，同时也会发生菲涅尔损耗效应。如果忽略2次以上的反射，只考虑界面的影响，且假设所有的光线都是垂直入射，垂直反射时，有如下公式：

式中：Pr为出射光的功率；nGaN为管芯结构中材料的折射率；nair为自由空间的折射率；Pin为入射光的功率。代入式中各项的数值，得：

以上结果表明，对于普通管芯结构，即使不存在全反射效应以及其他损耗因素，仅菲涅尔损耗效应的存在，从LED有源区产生的光子就有相当一部分不能顺利逸出到自由空间，直接限制了量子效率的提高。

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审核编辑 黄宇