面向Micro-LED驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)的單端注入電致發(fā)光機(jī)理

李俊龍，李文豪，蘇昊，邱佳雯，王堃*，張永愛(ài)，2，周雄圖，2，吳朝興，2*，郭太良，2

（1.福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.中國(guó)福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108）

1 引 言

微顯示器件是近眼顯示技術(shù)的關(guān)鍵組件，是實(shí)現(xiàn)信息交換和智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其要求顯示屏幕具有更小尺寸的像素、超高的分辨率、更好的顯示效果[1-5]。在眾多微顯示技術(shù)中，Micro-LED顯示憑借其自發(fā)光、高效率、低功耗、高集成度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，具有比液晶顯示和有機(jī)發(fā)光二極管顯示更優(yōu)異的顯示效果，有望成為主流的微顯示技術(shù)[6-9]。與普通的LED芯片類似，Micro-LED芯片的發(fā)光依賴于外部注入電子、空穴的輻射復(fù)合[10]。因此，Micro-LED芯片的p端、n端電極需要分別與外部驅(qū)動(dòng)線路形成高質(zhì)量電氣連接，即實(shí)現(xiàn)Micro-LED芯片的雙端接觸與雙端載流子注入。正是這種雙端接觸與雙端注入原理導(dǎo)致了高分辨率Micro-LED顯示屏在制備過(guò)程中面臨著包括巨量電致發(fā)光檢測(cè)和巨量金屬鍵合在內(nèi)的兩個(gè)技術(shù)瓶頸[11-12]。一方面，對(duì)于晶圓級(jí)Micro-LED的巨量電致發(fā)光檢測(cè)，其關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)Micro-LED芯片中微型電極對(duì)（n電極與p電極）與兩根微型探針的快速、精準(zhǔn)接觸[13-14]。然而，隨著Micro-LED芯片的不斷縮小，微型探針的針尖直徑也必須相應(yīng)地縮小至幾微米。這對(duì)針尖的加工工藝、使用壽命提出更高要求，同時(shí)也對(duì)檢測(cè)設(shè)備位移部件的精度與移動(dòng)速度提出了更高要求。另一方面，對(duì)于Micro-LED顯示屏的設(shè)計(jì)制備，其關(guān)鍵技術(shù)之一是如何實(shí)現(xiàn)Micro-LED芯片中微型電極對(duì)（n電極與p電極）與相應(yīng)驅(qū)動(dòng)線路的高質(zhì)量電氣連接[15-17]。然而，Micro-LED芯片尺寸的不斷縮小和顯示屏像素分辨率的不斷提高對(duì)Micro-LED常用的金屬凸點(diǎn)鍵合技術(shù)提出了更高要求[18-20]。受限于鍵合設(shè)備精度，要實(shí)現(xiàn)Micro-LED芯片電極對(duì)與驅(qū)動(dòng)線路焊盤(pán)精準(zhǔn)連接與鍵合依然存在很大的技術(shù)難度[21-22]。立足于新原理與新效應(yīng)研發(fā)新技術(shù)是突破巨量電致發(fā)光檢測(cè)和巨量金屬鍵合瓶頸的有效途徑。

本文提出了一種應(yīng)用于Micro-LED驅(qū)動(dòng)與電致發(fā)光檢測(cè)的單端接觸與單端載流子注入（以下簡(jiǎn)稱單注入）新機(jī)理，打破Micro-LED芯片常規(guī)的雙端接觸雙端載流子注入模式。與常規(guī)Micro-LED芯片不同的是，單注入型Micro-LED與外部驅(qū)動(dòng)引線之間僅存在單端的電學(xué)接觸，即只需Micro-LED芯片的一個(gè)電極與外部引線電極連接，而Micro-LED芯片的另一端采用絕緣層與外部電極隔離開(kāi)。為了保證單端注入也可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)光，我們利用交流電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)載流子周期性的單端注入，從而保證Micro-LED芯片能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的周期性發(fā)光。單注入型工作模式使得Micro-LED芯片與外部引線（探針）的接觸點(diǎn)數(shù)量由兩個(gè)降低至一個(gè)，這可以降低電致發(fā)光檢測(cè)和凸點(diǎn)金屬鍵合工藝要求。本文研究單注入型Micro-LED的光電特性，包括電流-驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系、電流-驅(qū)動(dòng)頻率關(guān)系、亮度-驅(qū)動(dòng)頻率關(guān)系等，展示了單注入模式在Micro-LED檢測(cè)中的應(yīng)用。基于以上分析測(cè)試，提出了單注入型Micro-LED的工作機(jī)理模型。本研究有望為Micro-LED芯片的檢測(cè)、Micro-LED顯示屏的設(shè)計(jì)提供一種新思路。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 單注入型Micro-LED器件制備

本實(shí)驗(yàn)采用的Micro-LED芯片為自支撐Micro-LED，由廈門(mén)乾照光電提供。采用的器件樣品結(jié)構(gòu)從下至上分別為：置于底層的氧化銦錫（Indium tin oxide,ITO）下電極，ITO上光刻后形成的環(huán)形光刻膠限位區(qū)，轉(zhuǎn)移至ITO表面的自支撐Micro-LED芯片，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terephthalate，PET）絕緣層,ITO上電極。該器件制備過(guò)程如下：在ITO上旋涂光刻正膠（低速500 r/min，時(shí)間5 s；高速2 500 r/min，30 s，厚度3μm），在ITO玻璃板上刻蝕出環(huán)形ITO限位區(qū)（160μm×60μm）。通過(guò)探針將自支撐Micro-LED芯片轉(zhuǎn)移至限位區(qū)。將125μm厚的PET絕緣層覆蓋在沉積有Micro-LED芯片的基板上，最后在PET絕緣層上設(shè)置ITO上電極。因此，在該結(jié)構(gòu)中，Micro-LED芯片與底部ITO電極之間存在電學(xué)接觸，而與頂部ITO電極無(wú)直接電學(xué)接觸。

2.2 基于單注入模式的Micro-LED檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

本實(shí)驗(yàn)中基于單注入模式的Micro-LED檢測(cè)系統(tǒng)組成如下：透明導(dǎo)電的樣品座，位于樣品座底部的顯微鏡頭，用于垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED芯片檢測(cè)的探針，交流驅(qū)動(dòng)電源。首先將制備在藍(lán)寶石襯底上的垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED芯片放置在樣品座上，交流電源的一個(gè)輸出連接探針，另一輸出連接樣品座，探針與Micro-LED芯片的p電極形成穩(wěn)定的電氣連接，形成單注入模式的Micro-LED。其次，顯微鏡對(duì)Micro-LED發(fā)光狀態(tài)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)Micro-LED的發(fā)光檢測(cè)。

2.3 測(cè)試儀器

在測(cè)試過(guò)程中，交流信號(hào)由函數(shù)波形發(fā)生器（RIGOL DG4162）和功率放大器（Aigtek A122D）產(chǎn)生；輸出電壓和電流由示波器（RIGOL DS7024）記錄，記錄的交流電壓為峰峰值（Vpp），記錄的交流電流為最大值；發(fā)光亮度由亮度計(jì)（NBeT FZ400）測(cè)量；發(fā)光響應(yīng)速度由雪崩光電探測(cè)器（Thorlabs APD120A2/M）測(cè)量；光學(xué)顯微鏡照片由倒置顯微鏡（DIANYING DYJ-201）采集，。

3 結(jié)果與討論

3.1 單注入Micro-LED器件結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)采用的Micro-LED芯片為自支撐Micro-LED，即從藍(lán)寶石襯底剝離的LED芯片。使用自支撐Micro-LED芯片可保證所有的LED芯片工作在單注入模式，并且通過(guò)去除藍(lán)寶石襯底可以有效降低工作電壓。該芯片從上至下分別為p-GaN、量子阱發(fā)光層、n-GaN，芯片尺寸為40μm×40μm，厚度為7μm，如圖1（a）所示。單注入型Micro-LED器件如圖1（b）所示，從下至上分別為：ITO下電極、ITO上的環(huán)形光刻膠限位區(qū)、轉(zhuǎn)移至ITO表面的自支撐Micro-LED芯片、PET絕緣層、ITO上電極，其中器件上下電極之間距離132μm。該結(jié)構(gòu)中的環(huán)形光刻膠限位區(qū)用于固定自支撐Micro-LED芯片，并且使得PET絕緣層能夠平整地在Micro-LED與環(huán)形光刻膠限位區(qū)平面上成膜，保證了絕大多數(shù)的電場(chǎng)能夠均勻地作用于Micro-LED芯片。PET絕緣層用于阻擋載流子的傳輸，形成單注入型Micro-LED器件。

圖1 （a）自支撐Micro-LED芯片；（b）單注入型Micro-LED結(jié)構(gòu)示意圖。Fig.1（a）Microscope image of the self-supported Micro-LED chip.（b）Schematic diagram of a single-injection type Micro-LED.

3.2 光電性能分析

圖2描述了在正弦交流電（300 kHz，70Vpp）驅(qū)動(dòng)下單注入型Micro-LED器件的發(fā)光波形圖，可以看出其發(fā)光波形稍微滯后于電流波形。這是由于絕緣層的存在，在施加信號(hào)的瞬間，回路中的電流達(dá)到最大，進(jìn)一步逐漸形成電場(chǎng)，通過(guò)電場(chǎng)力作用驅(qū)動(dòng)載流子運(yùn)動(dòng)至多量子阱（MQWs）中復(fù)合發(fā)光。而這個(gè)從電場(chǎng)形成到載流子復(fù)合發(fā)光的時(shí)間就是圖中所顯示的滯后。由圖中曲線還可以得出單注入型Micro-LED器件只在正半周期驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)光，其機(jī)理我們將在后面進(jìn)行討論。

圖2 正弦交流電驅(qū)動(dòng)下的發(fā)光波形與電流Fig.2 Luminous and current waveform of the device driven by sinusoidal alternating voltage

在傳統(tǒng)直流驅(qū)動(dòng)LED中，器件的亮度主要取決于驅(qū)動(dòng)電壓、注入電流的大小[23-25]。而單注入型Micro-LED器件亮度不僅與驅(qū)動(dòng)電壓大小有關(guān)，且對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率十分敏感[26-28]。圖3（a）描述了在不同驅(qū)動(dòng)電壓下信號(hào)頻率與回路中電流的關(guān)系。以70Vpp為例，隨著頻率增加到10 kHz，電流基本保持不變；頻率進(jìn)一步增加到40 kHz，電流呈指數(shù)式增長(zhǎng)；當(dāng)頻率大于1 MHz后，電流基本趨于穩(wěn)定。類似地，在不同電壓下，1 MHz頻率后電流都趨于穩(wěn)定；不同的是，電壓越高，最后穩(wěn)定的電流值也不同，具體表現(xiàn)為電壓越高、穩(wěn)定的電流值越高。

傳統(tǒng)直流驅(qū)動(dòng)的LED作為電流驅(qū)動(dòng)型器件，在工作區(qū)以內(nèi)通常表現(xiàn)為電流越大、LED發(fā)光亮度越高[29-30]。交流驅(qū)動(dòng)的單注入型Micro-LED對(duì)驅(qū)動(dòng)頻率更為敏感。以70Vpp為例，其開(kāi)啟頻率為40 kHz，隨著交流電驅(qū)動(dòng)頻率的增大，器件內(nèi)部電流變大，發(fā)亮亮度變大。不同于傳統(tǒng)直流驅(qū)動(dòng)LED器件的是，交流驅(qū)動(dòng)的單注入型Micro-LED存在最佳的驅(qū)動(dòng)頻率。當(dāng)頻率到達(dá)300 kHz附近時(shí)，亮度達(dá)到最大（3.5μW/cm2）;當(dāng)交流驅(qū)動(dòng)頻率大于最佳驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)，發(fā)光亮度將隨著頻率的升高而降低，如圖3（b）所示。因此交流驅(qū)動(dòng)的Micro-LED的發(fā)光亮度不僅取決于注入電流，還受驅(qū)動(dòng)頻率的影響[31-32]。

為了研究單注入型Micro-LED器件結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響，借鑒傳統(tǒng)LED模型，單注入型Micro-LED可以用RC電路等效，從電路的角度定性地對(duì)單注入型Micro-LED的電學(xué)性能進(jìn)行分析。由于絕緣層的存在，外部電極與芯片之間形成等效電容，同時(shí)Micro-LED可以等效為電容與電阻的并聯(lián)。因此，單端載流子注入Micro-LED器件電路模型可以等效為如圖3（c）中的RC電路，該電路的阻抗為：

其中ω=2πf，f為交流信號(hào)頻率，Rexternal為外部串聯(lián)電阻，Cexternal為絕緣層等效電容，CLED為Micro-LED等效電容，RLED為Micro-LED等效電阻。Rexternal、Cexternal、CLED和RLED分 別 為20 000Ω、5 pF、5×103pF和240Ω。單注入型Micro-LED的CLED與RLED與已報(bào)道的Micro-LED芯片的CLED與RLED相近[33]。由公式（1）可知，電路的總阻抗由電阻和電容確定，且隨頻率的增大而減小；而當(dāng)頻率大于某個(gè)特定值時(shí)，阻抗基本保持不變。這就解釋了回路中的電流為什么呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。針對(duì)該RC電路模型，對(duì)電流-頻率特性進(jìn)行計(jì)算，如圖3（c）所示，理論結(jié)果（實(shí)線）和實(shí)驗(yàn)結(jié)果（虛線）基本吻合，進(jìn)一步證明了本研究中的單注入型Micro-LED可以用該RC電路模型等效，為后續(xù)優(yōu)化單注入型Micro-LED器件結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)具有指導(dǎo)意義。

圖3 （a）不同驅(qū)動(dòng)電壓下的電流-頻率特性；（b）驅(qū)動(dòng)電壓為70Vpp時(shí)的亮度-頻率特性；（c）頻率-電流特性的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Fig.3（a）Current-frequency characteristics under different driving voltages.（b）Brightness-frequency characteristics under 70Vpp.（c）Theoretical and experimental current-frequency characteristics.

通過(guò)對(duì)上述單注入型Micro-LED的RC等效電路分析可知，交流驅(qū)動(dòng)的單注入型Micro-LED的阻抗易受頻率的影響變化。除此之外，驅(qū)動(dòng)電壓也影響單注入型Micro-LED的電流和發(fā)光亮度。圖4（a）為不同頻率下電流-電壓特性曲線，在30 kHz～1.5 MHz頻率下，電流-電壓特性曲線基本呈現(xiàn)為線性關(guān)系。由公式（1）可知，單注入型Micro-LED器件的總阻抗在固定頻率下總是保持不變的，因此當(dāng)頻率固定時(shí)，其電流-電壓特性曲線基本呈線性關(guān)系，這與傳統(tǒng)直流驅(qū)動(dòng)LED指數(shù)型電流-電壓特性曲線明顯不同。圖4（b）展示的是器件在不同驅(qū)動(dòng)電壓的顯微圖像，當(dāng)頻率不變時(shí)，隨著電壓的增大，器件亮度逐漸增大，說(shuō)明在高電壓的驅(qū)動(dòng)下，有更多的載流子流入Micro-LED進(jìn)行輻射復(fù)合。

圖4 （a）器件在不同頻率下的電流-電壓特性曲線；（b）器件在不同Vpp下的發(fā)光圖像。Fig.4（a）Current-voltage curves of the device at different frequencies.（b）Microscopic images of devices at different Vpp.

3.3 模擬仿真

為了更深層次地探究單注入型Micro-LED的工作機(jī)理，我們建立了單注入模型的Micro-LED有限元仿真模型，定量展示在交流電場(chǎng)下的單注入型Micro-LED能帶變化，為單注入型Micro-LED的工作機(jī)理提供了清晰的物理圖像[34]。圖5（a）為正弦交流電驅(qū)動(dòng)的單注入型Micro-LED仿真模型圖，仿真模型結(jié)構(gòu)依次為絕緣層（100 nm）、p-GaN（長(zhǎng)度為200 nm、摻雜濃度為7×1017cm-3）、AlGaN電子阻擋層（20 nm）、InGaN/GaN多量子阱、n-GaN（長(zhǎng)度為2 000 nm，摻雜濃度為5×1018cm-3）。圖5（b）為施加的正弦交流電壓波形，其中T1時(shí)刻電壓為零，Micro-LED處于初始狀態(tài)。T2為正半周期的電壓達(dá)到最大值的時(shí)刻，此時(shí)器件處于正向偏置狀態(tài)。T3為正半周期結(jié)束時(shí)刻，T4為負(fù)半周期電壓達(dá)到最大值的時(shí)刻，器件處于反向偏置狀態(tài)。如圖5（c）所示為單注入型Micro-LED能帶圖的模擬仿真結(jié)果，在T1～T2階段，當(dāng)正弦電壓開(kāi)始施加在單注入型Micro-LED器件上時(shí)，此時(shí)器件處于正向偏置狀態(tài)，n區(qū)的電子受外部電場(chǎng)的作用遷移到MQWs中，與從p區(qū)運(yùn)動(dòng)到MQWs中的空穴形成輻射復(fù)合。從仿真結(jié)果可以看出，在正弦交流電的正半周期，n區(qū)的能帶未發(fā)生彎曲，而靠近絕緣層的p區(qū)能帶發(fā)生明顯的彎曲。當(dāng)施加的電壓在T1～T2時(shí)刻變化時(shí)，外部載流子無(wú)法注入到p端中，此時(shí)在器件內(nèi)部參與復(fù)合的空穴來(lái)源于p-GaN。靠近絕緣層的p-GaN的空穴被不斷消耗，導(dǎo)致了空穴填充水平降低，甚至形成了電子積累（即形成了反型層），造成了p層能帶的強(qiáng)烈扭曲。我們注意到施加到Micro-LED的電壓是“電源電壓”和“感應(yīng)電壓”的總和。在正半周期，感應(yīng)電壓來(lái)自于p-GaN處的電子積累，其形成的電場(chǎng)與外加電源電場(chǎng)反向。在T2～T3時(shí)刻，盡管外加的電源電壓仍處于正向偏置狀態(tài)，但此時(shí)外加的電源電壓的數(shù)值在下降。因此，在T2～T3時(shí)刻感應(yīng)電壓大于外加電源電壓，導(dǎo)致Micro-LED工作在反偏狀態(tài)。在T3～T4階段，隨著負(fù)半周期電壓的增加，空穴被拉到p區(qū)與絕緣層界面處，在能帶上表現(xiàn)為p區(qū)的能帶能量升高，能帶被拉平。與正半周期類似，負(fù)半周期的n區(qū)能帶未發(fā)生彎曲。

圖5 （a）單注入型Micro-LED仿真模型；（b）正弦交流電壓波形圖；（c）各時(shí)刻的單注入型Micro-LED能帶圖。Fig.5（a）Simulation model of single-injection type Micro-LED.（b）Waveform diagram of a sinusoidal AC voltage.（c）Energy band diagrams of the single-injection type Micro-LED.

3.4 工作原理分析

在正弦交流驅(qū)動(dòng)下，器件內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)變化如圖6所示。其中圖6（a）、（b）表示在正弦交流電壓的正半周期驅(qū)動(dòng)下的器件內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如圖6（a）所示，在正半周期下，電子從交流電源負(fù)極經(jīng)n-GaN進(jìn)入到MQWs。由于絕緣層的存在，從電源正極流出的正電荷無(wú)法進(jìn)入到p-GaN中，而是累積在絕緣層的表面。此時(shí)p-GaN中的多數(shù)載流子（空穴）運(yùn)動(dòng)到MQWs中，與由外部注入到MQWs中的電子發(fā)生輻射復(fù)合。p-GaN中的空穴向MQWs輸運(yùn)的最終表現(xiàn)效果為靠近絕緣層的p-GaN形成帶負(fù)電的耗盡層，并且隨著電子的積累，還會(huì)形成反型層（圖6（b））。從電路的角度分析，“金屬電極/絕緣層/p-GaN”所形成的等效電容在正半周電壓上升階段處于充電的狀態(tài)。器件絕緣層的外部將會(huì)有正電荷累積，其積累的電荷量是由器件的等效電容所決定。同時(shí)，p-GaN中的等量空穴遷移到MQWs，并與從n-GaN注入的電子發(fā)生輻射復(fù)合。當(dāng)正向電壓達(dá)到最大值時(shí)，充電過(guò)程完成即等效電容充滿電，將不再有多余的電子從n-GaN注入。當(dāng)交流電源處于正半周電壓下降階段和負(fù)半周期時(shí)，載流子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6（c）所示，n-GaN中的電子將向電源正極移動(dòng)。類似地，絕緣層外部的正電荷向電源負(fù)極移動(dòng)，p-GaN/絕緣層界面的負(fù)電荷數(shù)量減少。最終結(jié)果是，絕緣層外的正電荷被完全消耗，靠近絕緣層的p-GaN從反型狀態(tài)變?yōu)楹谋M狀態(tài)，并且隨著耗盡程度的下降最終回到平帶狀態(tài)（圖6（d））。由該過(guò)程可知，在一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期中，只有正半周驅(qū)動(dòng)時(shí)Micro-LED發(fā)光，而負(fù)半周期只是為下一個(gè)正半周期的發(fā)光做準(zhǔn)備。

圖6 （a）正電壓下器件發(fā)光時(shí)的載流子輸運(yùn)狀態(tài)；（b）正電壓下內(nèi)部載流子處于穩(wěn)定狀態(tài)；（c）負(fù)電壓下器件載流子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；（d）一個(gè)正弦電壓周期結(jié)束后的器件狀態(tài)。Fig.6（a）Schematic diagram showing the carrier transport when the device emits light under positive voltage.（b）Schematic diagram showing the stable state under positive voltage.（c）Schematic diagram showing the carrier transport when the device under negative voltage.（d）Device state after one sinusoidal voltage cycle.

單注入型Micro-LED發(fā)光機(jī)理是電子、空穴輸運(yùn)到MQWs并產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光，因此當(dāng)交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率改變時(shí)，電子、空穴的輸運(yùn)行為及隨后的復(fù)合發(fā)光行為也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。單注入型Micro-LED可以等效為“電容器-LED”串聯(lián)結(jié)構(gòu)。眾所周知，隨著驅(qū)動(dòng)頻率的提高，該結(jié)構(gòu)的等效電抗下降，即流過(guò)Micro-LED的電流增大。因此，在低頻范圍內(nèi)發(fā)光亮度隨著頻率的提高而增強(qiáng)。另一方面，當(dāng)頻率逐漸增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)的光脈沖數(shù)量增多，因此器件發(fā)光亮度增大。然而，當(dāng)頻率過(guò)高時(shí)，器件亮度下降，如圖3（b）所示。高頻范圍內(nèi)，造成亮度隨頻率下降的可能原因有兩個(gè)。首先，器件的發(fā)光源自于載流子擴(kuò)散到MQWs區(qū)域并產(chǎn)生輻射復(fù)合，當(dāng)正半周期時(shí)間較短時(shí)，載流子來(lái)不及擴(kuò)散至MQWs區(qū)域就被隨后的反向電場(chǎng)（即負(fù)半周期）拉開(kāi)。因此，頻率的提高導(dǎo)致注入到MQWs中的載流子數(shù)量減少，從而造成器件亮度下降。此外，隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增加負(fù)半周期的驅(qū)動(dòng)時(shí)間減短，反向流過(guò)Micro-LED的載流子數(shù)量減少。這就意味著用于下一個(gè)正半周期發(fā)光的載流子數(shù)目減少。因此隨著頻率的提高，單注入型Micro-LED亮度呈降低趨勢(shì)。

3.5 基于單端注入的Micro-LED檢測(cè)

本文研究的單注入型Micro-LED有望應(yīng)用于微顯示檢測(cè)。基于單注入型Micro-LED的檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖7（a）所示，整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成。其中第一個(gè)部分由交流電源、樣品座、金屬探針組成，將交流電源的兩端分別連接金屬探針與樣品座，通過(guò)控制金屬探針與垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED的p端連接，實(shí)現(xiàn)單端載流子的注入與Micro-LED輻射復(fù)合發(fā)光。第二部分用于檢測(cè)Micro-LED的發(fā)光狀態(tài)，由安置在樣品座底部的倒置顯微鏡組成。圖7（b）為顯微鏡拍攝的垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED陣 列，每 個(gè)Micro-LED的 尺 寸 為7μm×7μm，該尺寸Micro-LED芯片與前文研究用到的40μm×40μm Micro-LED芯片結(jié)構(gòu)一致。我們用40μm×40μm Micro-LED芯片主要是為了探究單注入模式的發(fā)光機(jī)理。這是因?yàn)槌叽巛^大的芯片有利于單注入型Micro-LED的制備。而對(duì)于將單端注入的原理運(yùn)用到Micro-LED芯片的電致發(fā)光檢測(cè)時(shí)，我們選用的是7μm×7μm的垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED芯片，這是為了驗(yàn)證該技術(shù)對(duì)于極小Micro-LED檢測(cè)的實(shí)用性。在高密度的Micro-LED陣列中，利用顯微鏡頭放大Micro-LED陣列圖像，通過(guò)電腦能夠識(shí)別Micro-LED的發(fā)光狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)Micro-LED的壞點(diǎn)檢測(cè)，如圖7（c）所示。同時(shí)通過(guò)移動(dòng)探針能夠?qū)崿F(xiàn)制備在藍(lán)寶石襯底上垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED芯片的單端電致發(fā)光檢測(cè)（圖7（d）），探針與Micro-LED建立有效的單端電氣連接，檢測(cè)生長(zhǎng)于同一藍(lán)寶石襯底上的不同Micro-LED芯片，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)單點(diǎn)檢測(cè)，證明了基于單端注入模式的Micro-LED檢測(cè)的可行性。

圖7 （a）基于單注入方法的Micro-LED檢測(cè)系統(tǒng)示意圖；（b）垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED顯微照片；（c）工作于單注入模式的垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED發(fā)光圖；（d）對(duì)不同Micro-LED芯片的檢測(cè)效果圖。Fig.7（a）Schematic diagram of the Micro-LED detection system based on single-injection method.（b）Micrograph of vertical structure Micro-LEDs.（c）Luminescence image of Micro-LED detected by using the detection system.（d）Luminescence images of different Micro-LEDs.

采用傳統(tǒng)的電致發(fā)光檢測(cè)方式對(duì)Micro-LED芯片進(jìn)行測(cè)試，可以準(zhǔn)確地提供Micro-LED芯片的電學(xué)性能，給出芯片的發(fā)光波長(zhǎng)和亮度等信息，但是難以檢測(cè)制備于藍(lán)寶石襯底上的垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED芯 片[35-39]。此外，對(duì)于Micro-LED芯片的巨量檢測(cè)而言，Micro-LED芯片數(shù)量多且尺寸小，兩端電極難以與外部電極高效地建立高質(zhì)量的電氣連接，實(shí)現(xiàn)高效率且穩(wěn)定的雙端載流子注入難度大。因此，傳統(tǒng)的電致發(fā)光檢測(cè)方式在檢測(cè)效率上難以滿足Micro-LED巨量檢測(cè)要求，目前尚沒(méi)有成熟的適用于Micro-LED芯片的電致發(fā)光檢測(cè)工藝[40-41]。基于單端注入的Micro-LED檢測(cè)相較于傳統(tǒng)的電致發(fā)光檢測(cè)方式，其優(yōu)勢(shì)不僅在于單注入型Micro-LED的單端電氣接觸能夠?qū)崿F(xiàn)Micro-LED輻射復(fù)合發(fā)光，而且避免了傳統(tǒng)的電致發(fā)光檢測(cè)方法難以檢測(cè)制備于藍(lán)寶石襯底上的垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED，降低了檢測(cè)難度，為微顯示檢測(cè)提供了一種新的思路，有望成為新型的Micro-LED檢測(cè)方法。

單注入型Micro-LED的發(fā)光性能難以與常規(guī)Micro-LED進(jìn)行比較。首先是亮度或光功率，單注入型Micro-LED的驅(qū)動(dòng)電壓較大（本文中可以達(dá)到70Vpp），而傳統(tǒng)Micro-LED的驅(qū)動(dòng)電壓顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該數(shù)值，因此亮度不存在可比性。其次是外量子效率，傳統(tǒng)Micro-LED的外部注入電流很容易測(cè)試，因此外量子效率容易獲得。而對(duì)于單注入型Micro-LED，對(duì)發(fā)光有貢獻(xiàn)的除了注入的載流子還有器件內(nèi)部的載流子，因此難以計(jì)算外量子效率。

單注入模式主要是為了解決LED芯片進(jìn)一步縮小后所面臨的電接觸難題。盡管單注入型Micro-LED工作電壓高、頻率高，但是通過(guò)對(duì)材料和器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，是有機(jī)會(huì)降低單注入型Micro-LED工作電壓的。此外，單注入模式在Micro-LED電致發(fā)光檢測(cè)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，為Micro-LED檢測(cè)提供了新的思路與方法。

4 結(jié) 論

本文提出了一種單注入型Micro-LED器件，其中Micro-LED芯片與外部驅(qū)動(dòng)引線之間僅存在單端的電學(xué)接觸，Micro-LED芯片的另一端采用絕緣層與外部電極隔離開(kāi)。在交流電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，電子/空穴周期性地注入Micro-LED芯片，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的周期性發(fā)光。獲得了單注入型Micro-LED器件的電流-驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系、電流-驅(qū)動(dòng)頻率關(guān)系、亮度-驅(qū)動(dòng)頻率關(guān)系，建立單注入模式下Micro-LED的仿真模型，量化了在交流驅(qū)動(dòng)下單注入型Micro-LED的能帶變化細(xì)節(jié)，闡述了單注入型Micro-LED的工作機(jī)理。研究表明，單注入型Micro-LED的發(fā)光亮度除了受驅(qū)動(dòng)電壓、注入電流的影響外，還對(duì)驅(qū)動(dòng)頻率極為敏感，在固定某一電壓下，存在一個(gè)最佳驅(qū)動(dòng)頻率。單注入型Micro-LED的亮度隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增加而增大，當(dāng)超過(guò)最佳驅(qū)動(dòng)頻率后，亮度將隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加而減小。驅(qū)動(dòng)電壓為70Vpp時(shí)，開(kāi)啟頻率為40 kHz，最佳驅(qū)動(dòng)頻率為300 kHz，最大亮度為3.5μW/cm2。初步驗(yàn)證了單端載流子注入模式應(yīng)用于Micro-LED檢測(cè)的可行性，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法難以檢測(cè)生長(zhǎng)于藍(lán)寶石襯底的垂直結(jié)構(gòu)Micro-LED的缺點(diǎn)，為Micro-LED檢測(cè)提供了新思路。

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