纖鋅礦GaN作為第三代半導體發光材料，具有合適的帶隙、高的擊穿電壓、優良的熱導率、高的電子飽和速率及抗輻射能力等特點，適合制作耐高溫、抗輻射的大功率發光半導體器件。隨著理論研究與制造技術的發展，發光二極管（light-emitting diode, LED）的應用領域由最初的照明領域逐步拓展至顯示領域，這就對LED的性能提出了更高的要求。目前，LED主要朝著小尺寸、高功率、柔性可折疊等方向演化。

01 傳統LED、Mini-LED、Micro-LED

傳統LED、Mini-LED、Micro-LED是依據尺寸來區別的。一般來說，傳統LED的橫向尺寸大于200μm，Mini-LED的橫向尺寸為100～200μm，Micro-LED的橫向尺寸小于100μm，尺寸的減小不僅代表功耗的降低，而且還可以帶來超高的分辨率、不可比擬的亮度、更快的響應時間、更長的使用壽命。顯示器性能見表1。Micro-LED在顯示、通信、醫療、能源等領域有著十分廣泛的應用前景。

表 1主流顯示器與Micro-LED顯示器性能對比

Micro-LED發展過程中，始終受到生產良率與尺寸效應影響，其光電轉化效率較低，而且隨著芯片尺寸的減小其效率也呈斷崖式下降。此外，相比于傳統發光技術，Micro-LED管芯單元與管芯間距更小，這就要求其具有比較高的亮度。高亮度則需要Micro-LED管芯在大注入電流下工作。增大注入電流，會引起電流擁擠效應，其光電轉化效率會進一步發生衰減；并且，這種效應會隨著電流增大而進一步加劇。因此，如何提升Micro-LED光電轉化效率及亮度成為業內的研究熱點。

02 Micro-LED量子效率

光電轉化效率是評價LED等電致發光器件性能的重要參數。電能輸入到LED，最后以光與熱的形式輸出，光電轉化效率較低就意味著電能大多轉化為熱能。熱量積聚會導致管芯溫度的升高，從而直接影響管芯的穩定性及壽命。Micro-LED光電轉化效率可以用量子效率來表示，主要由內量子效率（internal quantum efficiency, IQE）、光提取效率（light extraction efficiency, LEE）、外量子效率（external quantum efficiency, EQE）3個部分構成，見式（1）～式（3）。

式中：ηIQE為內量子效率；ηEQE為外量子效率；ηLEE為光提取效率、PINT為有源區發出的光功率；P為輻射到環境的光功率；h為普朗克常量；v為光的頻率；I為注入電流；e為電子電荷。內量子效率決定輻射復合產生的光子數量，但產生的光子并不能全部輻射到外部空間，在發射過程中，一部分會被管芯本身吸收，另一部分被折射回管芯內部，兩者最終都以熱的形式散失。光提取效率反映發光結構的合理性。外量子效率是評價LED綜合性能的指標，也是三者中唯一能夠通過試驗測試出來的。但究其根本，內量子效率的提升將直接影響管芯的整體性能。

03 內量子效率

GaN基LED發光結構主要由n-GaN、p-GaN、GaN/InGaN量子阱3個部分組成（見圖1）。電子和空穴在量子阱處發生復合，釋放能量。LED中電子和空穴的復合分為輻射復合與非輻射復合兩種方式。在量子阱內，電子被1個位于能帶內的游離狀態的空穴俘獲，并發生復合，同時放出能量為hν的光子，該過程稱為輻射復合。電子與空穴復合過程中，若能量以光能以外的形式釋放，則該過程稱為非輻射復合，非輻射復合主要有shockley-read-hall（SRH）復合、俄歇復合以及深能級復合等。

圖 1管芯3種封裝結構模型

Micro-LED 的工作原理本質上是pn結在正向電壓下電致發光，是由pn結內部注入少數載流子且在特定能級發生輻射復合，該過程通過電子與空穴在有源區直接輻射復合產生光子，所以內量子效率直接受輻射復合的電子?空穴對的數量影響。GaN內部的極性、內應變、量子阱材料晶格匹配度等都會影響電子、空穴的產生與復合。此外，GaN材料的生長質量對輻射復合影響很大。材料中的位錯、空位等缺陷處能量較高，能夠作為非輻射復合中心俘獲電子或空穴，能量以熱能的形式損耗。載流子對量子效率的影響也不容忽視。量子阱內的電子略多于空穴時，輻射復合率較高；但如果電子過多，則容易泄漏出有源區，并直接在有源區外發生非輻射復合，從而導致輻射效率下降。

電子與空穴復合時，如果把能量或動量通過碰撞轉移給其他粒子并產生熱效應，造成該粒子發生躍遷，此復合過程稱為俄歇復合。此外，如果管芯材料生長過程中存在大量缺陷，電子與空穴很容易被缺陷俘獲，從而發生SRH復合與深能級復合。這3種非輻射復合是導致電致發光半導體器件內量子效率損失的根本原因。目前內量子效率很難在試驗中測量，只能依靠經驗公式進行推導。業內普遍認可ABC內量子效率計算模型（式4）。2017年Olivier等利用該模型計算了低溫下GaN基LED內量子效率隨尺寸的變化，計算結果表明，B與C對尺寸的依賴性不大，A對尺寸的依賴性較大。通過檢測外量子效率的試驗方法佐證，發現計算結果與試驗結果差別甚微。

式中：n為載流子濃度；A為SRH復合相關系數；B為輻射復合相關系數；C為俄歇復合相關系數。

計算理論的深入研究與計算機技術的進步也為計算內量子效率提供了便捷，特別是有限元思想引入半導體后，使得計算Micro-LED內量子效率簡單了許多。借助有限元多物理場仿真可以很快地計算出量子效率，同時可以創新優化所設計的結構，預測相應的試驗結果，但是有限元只能計算特定ABC系數下的內量子效率，無法理解深層次的微觀機制，特別是GaN內部極化及缺陷狀態、有源區晶格失配現象等原子微觀結構，這就無法將材料本征參數與計算系數聯系成有機的整體。

04 光提取效率

Micro-LED有源區輻射復合產生的光子從管芯結構逸出到外部空間需要經過復雜的路徑，光子逃逸的每一步都會因半導體材料、電極、襯底等部件的吸收而損失一部分光子。此外，由于管芯結構中材料的折射率與自由空間的折射率存在較大差異（nGaN=2.47，nair=1.00），根據菲涅爾損耗效應和全反射定律，某些角度范圍內的光子在管芯結構和自由空間的分界面處被全反射回半導體內，這就限制了GaN基Micro-LED光提取效率的提升。

LED出光過程中，無論是射向出光面和側壁的光子，還是射向襯底及非出光面的光子，不僅會發生全反射現象，同時也會發生菲涅爾損耗效應。如果忽略2次以上的反射，只考慮界面的影響，且假設所有的光線都是垂直入射，垂直反射時，有如下公式：

式中：Pr為出射光的功率；nGaN為管芯結構中材料的折射率；nair為自由空間的折射率；Pin為入射光的功率。代入式中各項的數值，得：

以上結果表明，對于普通管芯結構，即使不存在全反射效應以及其他損耗因素，僅菲涅爾損耗效應的存在，從LED有源區產生的光子就有相當一部分不能順利逸出到自由空間，直接限制了量子效率的提高。

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審核編輯 黃宇