交流驱动无电学接触GaN 基Micro-LED 器件光电特性

郭韫韵， 翁书臣， 邹振游， 许海龙，王浩楠， 周雄图，， 吴朝兴，， 张永爱，*

（1. 福州大学 物理与信息工程学院， 福建 福州 350116；2. 中国福建光电信息科学与技术创新实验室， 福建 福州 350108）

1 引 言

微型发光二极管（Micro-light emitting diode，Micro-LED）具有高亮度、易集成化、高分辨率、长寿命、低功耗和高响应速度等优点，有望成为下一代主流显示技术[1]。Micro-LED 显示技术发展涵盖了微显示、中小尺寸显示和大尺寸商显[2-5]，在穿戴显示设备、5G 超高清显示、微型显示、透明显示、柔性显示、AR/VR等领域具有广泛的应用场景[6-11]。

Micro-LED 显示性能优异，但其商业化与产业化仍面临诸多技术挑战[12-16]。随着Micro-LED器件的微型化，一系列技术问题随之出现，如尺寸效应、高速巨量转移、发光器件与驱动背板的高精度键合等问题[1,17-18]。为了实现外部载流子的高效注入，传统Micro-LED 器件外部驱动电极需与发光器件之间形成稳定的欧姆接触，这对发光器件与驱动背板的精准键合技术提出了极高的技术挑战[19-23]。此外，在载流子注入模式下，电压和电流的波动将会引起Micro-LED 器件的亮度波动，从而影响显示质量[24-28]。为解决上述问题，研究者提出了一种无电学接触（Non-electrical contact，NEC）模式驱动氮化镓基（GaN）Micro-LED 器件的全新技术方案[29-32]。2021 年，Wang 等提出一种采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为绝缘材料的无电学接触型μLED 器件，实现了10 ～ 150 kHz、50 ～ 300 Vpp条件下的稳定发光[33]；2022 年，Li 等提出一种单端电学接触型Micro-LED 器件结构，有望应用于微显示检测[34]。目前，Micro-LED 器件结构主要有垂直、倒装和正装结构，因此驱动电场可以选择垂直方向和水平方向。水平方向电场驱动的Micro-LED，电场两端的电场线相互平行；垂直方向电场驱动的Micro-LED，电场两端的电场线方向与器件垂直。与水平结构的Micro-LED 器件相比，垂直结构的Micro-LED 驱动电压更低，发光能力更稳定，亮度也更强。

因此，本文设计并制备了一种基于垂直结构的交流驱动NEC Micro-LED 器件，在器件两端施加交流驱动信号，研究NEC Micro-LED 器件的光电性能。

2 实 验

本实验选用经过表面处理的蓝宝石衬底，利用金属有机化学气相沉积（Metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD）、光刻技术和等离子体干法刻蚀制备Micro-LED 器件，器件尺寸为37 μm×94 μm。为了实现无电学接触，防止外部载流子注入器件，本实验采用原子层沉积技术（Atomic layer deposition，ALD）在Micro-LED 芯片的p-GaN 表面沉积一层高介电常数、高透明度的Al2O3绝缘层。图1（a）为本实验垂直结构GaN 基NEC Micro-LED 器件结构示意图，图1（b）为NEC Micro-LED 器件驱动示意图。从上至下分别为Al2O3绝缘层（15 nm）、p-GaN（0.65 μm）、多量子阱（Multiple quantum wells，MQWs，）（141 nm）、n-GaN（2 μm）、u-GaN（4 μm）以及蓝宝石衬底，驱动信号施加在Al2O3和蓝宝石衬底的两端。其中，MQWs 势阱层In0.2Ga0.8N 为3 nm，势垒层GaN 为15 nm，共7 个周期（7 个阱8 个垒）。图1（c）为NEC Micro-LED 器件的SEM 形貌图，图1（d）为器件表面Al2O3薄膜的原子力显微镜形貌图。从图中可以看出，Micro-LED 芯片生长质量良好，Al2O3薄膜平均粗糙度大约为2.6 nm，有利于NEC Micro-LED 器件的交流驱动。

本实验利用功率放大器（Aigtek，ATA2161、ATA122D）与函数信号发生器（RIGOL，DG4162）产生正弦交流驱动信号，驱动电压峰峰值（Vpp）最高可达1 600 V，频率最高可达22 MHz。采用示波器（RIGOL，DS7024）、高压差分探头（RIGOL，RP1025D）、光电倍增管（SENS-TECH，DM0090 C）、雪崩光电探测器（Thorlabs，APD120A2/M）以及远方光谱仪采集器件的发光波形图像和光学性能。本实验全程在SCG 真空探针台（SEMISHARE，SCG-0-2）上进行。实验中器件交流电压均为峰峰值（Vpp），器件电流为交流峰值电流。

3 结果与讨论

3.1 直流和交流驱动Micro-LED 器件的光电特性

图2 为传统Micro-LED 器件在直流和交流驱动下的光电特性曲线。图2（a）为直流驱动Micro-LED 器件的伏安特性（Current-voltage，I-V）曲线，定义Micro-LED 器件开始发光时的电压为Micro-LED 器件的开启电压。当器件处于反向偏置时，反向电流几乎为0 A。当器件处于正向偏置时，该器件的开启电压为5 V 左右，在电压小于开启电压时，器件的电流趋近于0 A；当电压大于开启电压时，随电压的增大，电流呈指数增长趋势，当电压大于15 V 时Micro-LED 器件会被击穿。图2（b）为Micro-LED 器件的相对亮度-电压特性曲线，为了降低环境光对测试结果的影响，对亮度进行归一化处理。当电压大于开启电压时，器件的亮度随着电压的增大呈指数增长，与其I-V特性曲线的变化趋势基本相同。

图2 Micro-LED 的直流光电特性曲线：（a）I-V 特性，（b）相对亮度-电压特性。 Micro-LED 的交流光电特性曲线：（c）I-V 特性，（d）开启电压-频率特性，（e）亮度-电压特性，（f）相对亮度-频率特性。Fig.2 Photoelectric performance of Micro-LED device in DC mode：（a）I-V curves at different frequencies， （b）relative luminance versus voltage. Photoelectric performance of Micro-LED device in AC mode： （c）I-V curve， （d）opening voltage versus frequency， （e）luminance versus voltage， （f）relative luminance versus frequency.

图2（c）为传统Micro-LED 器件在交流驱动下的I-V特性曲线。从图中可以看出，Micro-LED 器件的I-V特性曲线接近线性。在不同频率下对Micro-LED 器件的开启电压进行测试，结果如图2（d）所示。从图中可看出，交流驱动模式下的Micro-LED 器件开启电压大于直流驱动模式下的开启电压，与频率变化呈正相关，且在较高的频率范围内（50 kHz～2 MHz），开启电压与频率呈线性关系。图2（e）为1 kHz 频率下，在不同电压下Micro-LED 器件的亮度变化曲线。当驱动电压大于开启电压，其发光亮度与电压呈正相关，且升高的趋势趋于线性，与I-V特性曲线的趋势类似。图2（f）为传统Micro-LED 器件在交流驱动模式下的相对亮度-频率特性曲线。从图中可以看出，当频率为100 Hz 时，Micro-LED 器件亮度达到最大亮度值的90.3%，且在100 Hz～20 kHz 的频率范围内，器件亮度一直保持大于最大亮度值的90%；当频率大于20 kHz，器件发光性能开始减弱；当频率达到80 kHz 附近时，器件基本不发光。这是因为随着频率的升高，载流子无法充分复合发光，最终导致器件亮度极低。因此，Micro-LED 器件在较低频率下就能发挥出器件的发光性能，且在一个较大的频率范围内都能保持90%以上的发光亮度，但超过这个范围，器件发光性能开始减弱，直至无法发光。

在直流驱动和交流驱动模式下，通过研究传统GaN 基Micro-LED 器件的光电特性，有助于开展垂直结构型GaN 基NEC Micro-LED 器件的性能研究。

3.2 NEC Micro-LED 器件的光电特性

3.2.1 电学特性

垂直结构NEC Micro-LED 器件的RC（Resistor-capacitance，RC）等效电路如图3（a）所示。其中Rexternal为与器件串联的一个外部电阻，C1、C2为Micro-LED 与绝缘层之间的等效电容，CLED为与pn 结有关的电容，RLED为体半导体和MQWs 的电阻。由于绝缘层的存在，器件的电路模型可等效为电阻电容并联电路。

图3 （a）交流驱动NEC Micro-LED 器件的等效电路；（b）I-V 特性曲线；（c）电流-频率曲线；（d）电流超前效应。Fig.3 （a）Equivalent circuit model of AC-driven NEC Micro-LED. （b）I-V curves at different frequencies. （c）Current-frequency curves in different applied voltages. （d）Current leading effect.

图3 （b）为器件在不同频率下的I-V特性曲线。从图中可以看出，器件的I-V特性曲线趋于线性。当频率固定时，NEC Micro-LED 器件的阻抗稳定，不随工作电压的变化而改变。实验中Micro-LED 器件在直流驱动下的击穿电压在15 V左右，而在电压为70 Vpp甚至更高时，NEC Micro-LED 器件仍可正常工作。这说明NEC Micro-LED器件的耐高压能力比传统Micro-LED 器件强。图3（c）为不同电压驱动下，交流驱动NEC Micro-LED 器件的电流-频率曲线。随着频率的增加，电流先快速增大，随后趋于平稳，稳定时所能达到的最大电流为12 mA 左右。即随着驱动信号频率的增大，器件等效阻抗先快速减小后趋于稳定。由于NEC Micro-LED 器件具有电容特性[35]，当交流正弦信号驱动时，流经器件的电流和作用在器件两端的电压存在着相位差。通过采集器件两端的电压和回路的电流，实验结果如图3（d），从图中可以看出，电流波峰超前于电压波峰，这说明NEC Micro-LED 器件的电路存在电流超前效应。

3.2.2 光学特性

在直流和交流驱动模式下，传统Micro-LED器件发光机理均是通过电极注入空穴和电子实现连续的电致发光。由于绝缘层阻挡了外部载流子的注入，NEC Micro-LED 器件只利用器件内部固有的载流子复合发光。在交流电场的驱动下，器件内部的载流子向MQWs 漂移，并在MQWs 内周期性地复合发光[31-33]。因此，驱动信号的频率和电压幅度会直接影响NEC Micro-LED 器件的发光特性。

利用光电倍增管采集NEC Micro-LED 器件产生的光子数，探究NEC Micro-LED 器件的亮度-频率特性曲线，实验结果如图4（a）所示。当信号电压固定时，随着频率逐渐增加，器件亮度呈现先增大后减小的趋势。实验中，当器件亮度达到最大值时所对应的频率定义为器件最佳频率。当频率高于最佳频率时，器件发光亮度骤降直至为0。因为当频率过高时，驱动电场转向过快，载流子还未复合而电场方向已经改变，严重影响了器件内部载流子辐射复合效率。此外，从图中可以看出，电压幅度也会影响NEC Micro-LED 器件亮度。

图4 NEC Micro-LED 器件的光学特性曲线。 （a）亮度-频率特性曲线；（b）亮度-电压曲线（其中红色曲线为线性拟合所得）；（c）最佳频率-电压曲线；（d）亮度-电压特性曲线；（e）发光波长随电压变化曲线；（f）发光波长随频率变化曲线。Fig.4 Optical characteristic curves of NEC Micro-LED. （a）Luminance versus frequency in different applied voltages. （b）Luminance versus voltage（the red curve is obtained by linear fitting）.（c）Optimum frequency-voltage curves.（d）Luminance versus voltage at different frequencies. （e）Electroluminescence spectra at different voltages. （f）Electroluminescence spectra at different frequencies.

图4 （b）为最佳频率下的NEC Micro-LED 器件亮度与电压变化曲线，器件最大亮度与电压呈线性关系。图4（c）为NEC Micro-LED 器件的最佳频率与电压变化曲线，从图中可看出，NEC Micro-LED 器件的最佳频率随着电压的增大而增大。这说明驱动电压大小影响了器件的发光特性，驱动电压越大，越有利于激发NEC Micro-LED 器件的复合发光，器件最佳频率也随之升高。图4（d）是NEC Micro-LED 器件亮度随电压变化曲线。从图中可以看出，当频率固定时，驱动电压越大，器件亮度就越强。因为电场强度增大，器件内部载流子辐射复合的速度变快，载流子复合数量越多，器件亮度越高。但是过大的电压可能会击穿器件，所以驱动电压不宜过大。

图4（e）为不同电压下（10 ～70 Vpp）器件的电致发光光谱。从图中可看出，随着电压增大，器件峰值波长出现蓝移现象，峰值波长从436.80 nm偏移至432.07 nm，偏移了4.73 nm 左右。图4（f）为不同频率下（8 ～18 MHz）器件的电致发光光谱。随着频率增大，器件峰值波长出现蓝移现象，峰值波长从435.05 nm 移动至432.35 nm，器件的峰值波长偏移了2.7 nm 左右。

通过雪崩光电探测器和示波器分别采集相对亮度和驱动电压信号，图5 为交流驱动NEC Micro-LED 器件的发光波形与电压曲线，其中红色曲线为相对亮度变化曲线，黑色曲线为驱动电压信号，插图为器件发光照片。驱动信号的频率为10 MHz、电压幅度为15 Vpp。从图中可以看出，在一个正弦交流信号周期里，NEC Micro-LED 器件只发光一次且仅在正半周期发光。

图5 交流驱动NEC Micro-LED 器件的发光波形与电压曲线，插图为器件发光照片。Fig.5 Luminescence and voltage waveform of the AC-driven device. The inset is a luminous image of the device.

在正弦交流信号的正半周期，NEC Micro-LED 器件内部的载流子向MQWs 漂移，并在MQWs 内辐射复合发光。同时，多数载流子的漂移会产生一个方向与驱动电场相反的感生电场，抑制载流子的扩散，最终终止辐射复合过程。在正弦交流信号的负半周期，正半周期形成的感生电场被消除，器件内部的载流子逐渐回到平衡状态，为下一个发光周期做准备。因此在周期性变化的信号驱动下，NEC Micro-LED 器件能保持稳定的周期性电致发光[36-38]。

此外，从实验结果可以发现，NEC Micro-LED器件的发光波形滞后于驱动电压信号，存在发光延迟效应。这说明电荷需先在器件两端的绝缘层累积并形成电场，随后驱动器件内部载流子运动至MQWs 复合发光。

4 结 论

本文设计了一种垂直结构的交流驱动NEC Micro-LED 器件，通过MOCVD 和ALD 技术成功制备了NEC Micro-LED 器件，并研究了其光电特性。与常规Micro-LED 器件不同，蓝宝石衬底和Al2O3绝缘层使得NEC Micro-LED 器件与外部电极之间无电学接触，在交流驱动条件下只利用器件内部固有的载流子辐射复合发光。当器件两端施加交流驱动信号时，该器件的电路模型可等效为RC 电路。随着交流驱动信号频率增大，器件等效阻抗先快速减小后趋于稳定。当驱动信号频率固定时，器件I-V特性曲线呈线性关系，器件等效阻抗稳定，发光亮度随驱动电压的增大而增强。而当驱动信号电压固定时，器件发光亮度随频率逐渐增加呈现先上升后下降的趋势，在16～22 MHz 频率范围内达到最大亮度。此外，回路呈电容特性，NEC Micro-LED 器件存在电流超前效应与发光延迟效应。综上，与传统Micro-LED 器件相比，NEC Micro-LED 器件与外部驱动电路不需形成欧姆接触，即可在交流驱动信号下实现内部载流子的周期性复合发光，有望解决Micro-LED 微型化带来的巨量转移与高精度键合、发光芯片与驱动电极高稳定性接触等技术问题，为未来Micro-LED 显示技术发展提供了新思路。

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