低電流密度における量子効率向上のためのInGaNマイクロLED構造の最適化

要旨

ここでは、窒化物マイクロ発光ダイオード（マイクロLED）の低電流密度での動作挙動と物理メカニズムについて包括的な数値研究を報告します。分極効果の分析により、マイクロLEDは低電流密度でより深刻な量子閉じ込めスターク効果（QCSE）に苦しむことが示され、効率向上と安定したフルカラー発光の実現に課題をもたらします。キャリア輸送とマッチングを分析し、低電流密度でのマイクロLEDの最適動作条件と構造設計の最適化を決定します。活性領域の量子井戸（QW）数を減らすことでキャリアマッチングと輻射再結合率が向上し、量子効率と出力電力が高まることを示します。電子ブロッキング層（EBL）のマイクロLEDへの有効性を議論します。EBLを除去することで、電子閉じ込めと正孔注入が同時に改善されることがわかり、低電流密度でのマイクロLED発光が大幅に向上します。オーゲ再結合とショックリー・リード・ホール（SRH）再結合について調査し、低電流密度でのマイクロLEDの欠陥感受性を強調します。

概要：InGaNマイクロLEDの低電流密度動作における分極誘起QCSE、キャリア輸送とマッチング、再結合プロセスを数値的に調査。これらのデバイス振る舞いとメカニズムの理解に基づき、効率的なマイクロLEDエミッシブディスプレイ向けに、2QW、高ドープまたはEBLなし、高正孔濃度p-GaNを含む特定設計エピタキシャル構造を提案。マイクロLEDの欠陥密度感受性も強調。

はじめに

III族窒化物ベース可視発光ダイオード（LED）は、信号、光通信、情報記憶、バックライト、ディスプレイ、一般照明（または固体照明）など幅広い応用を持っています[1, 2]。2000年にJiangとその共同研究者たちによって直径12 μmのInGaNマイクロディスクLEDが初めて実証されて以来[3, 4]、マイクロLEDは高解像度ディスプレイ、可視光通信、生体医療、センシングなどの分野で学術的・産業的関心が拡大しています[5-8]。液晶ディスプレイ（LCD）と有機発光ダイオード（OLED）と比較して、マイクロLEDは小型、高解像度、高発光効率、高輝度、高色純度、長寿命、高応答速度、堅牢性という利点を持ち、次世代ディスプレイ技術の最有力候補となっています[9, 10]。マイクロLEDディスプレイの応用シナリオには、ハイエンドテレビ（TV）、ノートPC、携帯・モバイル端末、バーチャルリアリティ（VR）、拡張現実（AR）、透明ディスプレイなどが含まれます。Yoleの推定によれば、マイクロLEDディスプレイ市場は2025年までに3.3億ユニットに達すると予測されています[11]。

従来のIII族窒化物LED応用、特に固体照明では、光出力電力を可能な限り高くすることが求められます[12]。過去30年間、高出力応用の動機により、窒化物LEDの現代研究（エピタキシャル構造の設計と最適化、デバイス動作挙動と物理メカニズムの研究、製造技術の改善）は主に大型チップ、高動作電流密度、高入出力電力に焦点を当ててきました[12, 13]。まず、窒化物LEDの活性領域は、初期段階の最も単純なヘテロ構造と単一量子井戸（QW）から、今日の5周期QWの多重量子井戸（MQW）へ進化し、いくつかの商用高出力デバイスではQW数が8や10に達することもあります[14-17]。EBLは高注入電流密度での電子漏れをブロックするために提案されましたが、一定程度正孔注入を阻害することもあります[18, 19]。従来の高出力LEDで最も重大な問題は、電流密度増加に伴う外部量子効率（EQE）の低下、いわゆる効率ドロープです。この振る舞いの本質的メカニズムは、高注入キャリア密度での間接オーゲ再結合に関連しています[20]。製造面では、薄膜フリップチップと垂直注入形状が開発され、窒化物LEDの電力レベル拡大に貢献しました[21, 22]。

従来の大型高出力窒化物LEDではかなりの進歩が見られ、一部の教訓はマイクロLED研究に活かせます。しかし、マイクロLEDは依然として高出力対応品とは大きく異なります。マイクロLEDの異なる動作挙動、メカニズム、条件は、異なる課題と研究経路をもたらします[23, 24]。従来のLEDではピークEQEが高電流密度に位置し、動作電流密度は高くピーク効率を超えています（> 30 A/cm²）。しかし、マイクロLEDエミッシブディスプレイでは、動作電流密度ははるかに低く、しばしば0.02〜2 A/cm²の範囲です[24]。この低電流密度では、従来の窒化物LEDのEQEは非常に低く、実用的なマイクロLEDディスプレイ応用には不十分です。Vピットの利点を利用して転位をスクリーニングし正孔注入を強化することで、Zhangらは0.8 A/cm²でピーク効率24.0%の効率的なInGaNベースLEDを作成しました。しかし、Zhangらが報告したLEDチップは依然として従来サイズ（1 mm × 1 mm）に限定され、マイクロLEDよりはるかに大きいです[25]。さらに、多くの研究がチップサイズ縮小に伴いマイクロLEDの内部量子効率（IQE）とEQEが低下することを報告しています[26-28]。このサイズ依存性劣化は主に表面再結合とプラズマ支援ドライエッチングによるサイドウォールダメージに起因します。これらのサイドウォール効果はショックリー・リード・ホール（SRH）非輻射再結合に寄与し、量子効率を低下させ、チップサイズが小さくなるほどデバイスの活性領域と比較した特定表面/サイドウォール面積が大きくなるため、より深刻になります[29-31]。この問題に対処するため、誘電体材料によるサイドウォールパッシベーションと、緩衝フッ酸または光電気化学法を用いたウェットエッチングが、マイクロLEDへのこれらの効果を一定程度最小限に抑えるために提案されました[31-33]。しかし、サイドウォールパッシベーションで改善されても、マイクロLED（サイズ< 60 μm）のピークEQEは依然として25%未満であり、2 A/cm²未満の電流密度では数%まで劇的に低下します[34, 35]。特にInGaNベース赤色マイクロLEDでは、強い分極と劣悪な結晶品質により、現在報告されているEQEは1%未満に制限されています（ミニディスプレイ向け0.2%[36]）。さらに、チップサイズ縮小に伴い、ピークEQEの位置もより高い電流密度へシフトし、低電流密度での高効率をさらに阻害します[26]。

したがって、低電流密度での量子効率向上は、マイクロLEDエミッシブディスプレイ応用における最大の課題かつ重要な科学的課題となっています。この目的のため、ピーク効率を増加させ、効率の発端位置を適切なより低い電流密度へシフトさせる必要があります。これまでの研究は主にサイドウォールパッシベーションなどの製造技術改善に焦点を当ててきました。効率向上のため、低電流密度でのマイクロLEDの動作挙動と物理メカニズムを調査することも不可欠であり、これはまだ比較的未開拓で理解が不足しています。また、低電流密度で最大効率を向上させるデバイスを作成するには、マイクロLEDのエピタキシャル構造も再設計・最適化する必要があり、これは従来の大型高入出力対応品とは大きく異なるはずです。現在、低電流密度で動作するマイクロLEDエミッシブディスプレイ向けに特別に設計されたエピタキシャル構造は不足しています。

本研究では、低電流密度で動作するディスプレイ応用向けマイクロLEDの独自の課題を強調し、潜在的解決策を提案します。半導体デバイス高度物理モデル[37]ソフトウェアを用いて、200〜0.1 A/cm²のさまざまな電流密度でのInGaNマイクロLEDの動作挙動と物理メカニズムを数値的に調査します。バンド図、波動関数、分極場をシミュレート・分析し、マイクロLEDのQCSEについて検討し、低電流密度でのより深刻なQCSEを確認します。QW数、p型ドーピング濃度、AlGaN EBLがキャリア輸送、キャリアマッチング、輻射再結合、量子効率に与える影響を体系的に調査します。SRHとオーゲ再結合に関する効果とメカニズムも議論します。シミュレーションと分析に基づき、低電流密度で動作するマイクロLED向けに特別に設計された最適化エピタキシャル構造を提案します。

デバイス構造とシミュレーション手法

本研究では、長方形チップサイズ60 × 60 μm、ピーク発光波長約465 nmの一般的な青色InGaNマイクロLED構造をシミュレーションに使用します。図1に示すように、青色マイクロLEDは200 nm n-GaN層、MQW活性領域、20 nm p-Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N EBL、150 nm p-GaN層で構成されます。MQW活性領域は、10 nm厚のIn₀.₀₅Ga₀.₉₅N量子障壁（QB）に埋め込まれた2.5 nm厚のIn₀.₂₅Ga₀.₇₅N QWを8、5、3、2、または1周期で構成します。MQWのIn組成は所望の青色発光波長を達成するために調整・最適化されます。n-GaN、p-AlGaN EBL、p-GaNのドーピング濃度はそれぞれ2 × 10¹⁸ cm⁻³、3 × 10¹⁸ cm⁻³、1 × 10¹⁹ cm⁻³です。

シミュレーションに使用したInGaN/GaNベース青色発光ダイオードの概略図とLED効率分析

マイクロLEDの光学的・電気的特性は、半導体デバイス高度物理モデル[37]ソフトウェアを用いて数値的に調査します。シミュレーションでは、自発分極と圧電分極による界面電荷密度の50%を仮定します[38]。特に言及しない限り、SRH寿命とオーゲ再結合係数はそれぞれ100 nsと1 × 10⁻³¹ cm⁶/sに設定します[39, 40]。バンドオフセット比は0.7/0.3と仮定[41]、光取り出し効率は70%で固定、動作温度は300 Kです。シミュレーションで使用したその他の材料パラメータは文献[42]にあります。

結果と考察

LEDの壁面プラグ効率（WPE）は以下のように表せます：

WPE = P_out / (I_op × V) = η_EQE × ħω / (e × V) = η_EQE × η_elect (1)

ここで、P_outは光出力電力、I_opは動作電流、Vは駆動電圧、ħωは光子エネルギー、η_electは電気効率です。EQE η_EQEは電流注入効率（CIE）η_CIE、IQE η_IQE、光取り出し効率（LEE）η_LEEの積で、以下のように表されます：

η_EQE = η_CIE × η_IQE × η_LEE (2)

さらに、ABCモデル[43]によれば、η_IQEは以下のように表せます：

η_IQE = R_rad / (R_rad + R_SRH + R_Auger) (3)

ここで、R_radは輻射再結合率、R_SRHはSRH非輻射再結合率、R_Augerはオーゲ再結合率です。図1はさまざまな効率と関連する物理メカニズム、要因を示します。

R_radとCIEを最大化し、電気効率とLEEを改善し、SRHとオーゲ再結合を減らすことで、低電流密度で動作するマイクロLEDの全体効率を向上させなければなりません。これらの課題すべてに対処するにはシステムレベルのアプローチが必要です。光取り出しを除き、これらの課題は以下のセクションで議論し、効率的なマイクロLEDエピタキシャル構造の潜在的解決策も提案します。

低電流密度でのQCSE：内部分極電場

分極誘起QCSEは、窒化物LEDのIQEを制限する主要因の一つです[44]。QCSEは従来の大型高出力LEDで広く研究されてきましたが、マイクロLED特有の応用においては十分な議論がされていません。したがって、この重要な効果を最初に調査します。ここで議論するマイクロLEDの活性領域は、従来の窒化物LEDで最も一般的に使用される5周期QWで構築されています。

図2aは、200と0.1 A/cm²での第5QWのエネルギーバンド図と関連する第1準位電子・正孔波動関数を示します。QBとQWは大きなバンド曲がりを経験し、電子と正孔波動関数の空間的分離を引き起こします。さらに、低電流密度でバンド曲がりが強くなり、より強いQCSEを示します。この現象は、低注入電流密度での非平衡キャリアが少ないためスクリーニング効果が弱まることに起因します（追加ファイル1：図S1a-dと関連議論を参照）[41]。図2bは、低電流密度でのより深刻なQCSEがキャリア波動関数の空間分離を強化し、輻射再結合率を低下させることを示します。分極効果の有無、すなわちQCSEの有無による輻射再結合率とELスペクトルをさらに計算し、低電流密度での電子-正孔分離が定量的にいかに発光を減らすかを示します。図2c, dは、QCSEにより輻射再結合率の積分強度とEL強度がそれぞれ約84.0%と72.3%減少することを示します。これらの結果は、低電流密度での強化されたQCSEにより、従来の高出力対応品よりもマイクロLEDの効率向上がより困難であることを示しています。

a 200と0.1 A/cm²での第5QWのエネルギーバンド図と第1準位電子・正孔波動関数。b 200と0.1 A/cm²での電子・正孔波動関数ピーク位置の分離距離。c 分極効果なし/あり（QCSEなし/あり）での0.1 A/cm²での輻射再結合率。d ELスペクトル。e 0.1〜20 A/cm²の電流密度で青・緑・赤LEDから作成した色点を1931-CIE（x, y）色度図にプロット

さらに、異なる注入電流密度での発光波長の正確かつ安定した制御はマイクロLEDディスプレイにとって重要です。なぜなら、輝度、色精度、彩度などの重要なパラメータを決定するからです。しかし、低電流密度でのより深刻なQCSEはこれを大きな課題にします。特に、より高いIn組成を必要とする緑色と赤色マイクロLEDでは顕著です。In組成が高いInGaN QWでのバンド曲がり増大とより強いQCSEの直接的結果として、スクリーニング効果により波長シフト対電流密度がより顕著になります。さまざまな電流密度でのInGaNベース赤・緑・青マイクロLEDのELスペクトルをさらに計算し、スペクトルシフトがディスプレイの色点にどう影響するかを示します。追加ファイル1：図S2は、0.1〜20 A/cm²で赤、緑、青マイクロLEDのピーク波長がそれぞれ約15.8、6.6、1.7 nmブルーシフトすることを示します。赤・緑・青マイクロLEDを組み合わせて作成した色点も計算し、追加ファイル1：表S1にまとめました。図2eは対応する1931-CIE（x, y）色度図を示します。明らかに、RGBマイクロLEDからの発光色は電流密度増加に伴い緑から青緑へ大きく変化します。1931-CIE x値は0.1676から0.2084へ、y値は0.3891から0.3106へ変化します。電流密度に対するこの色点の大幅な変化は、マイクロLEDディスプレイ性能を大きく悪化させます。

QCSE抑制のためのいくつかのアプローチが提案されています。例えば、InGaN/AlGaN超薄膜超格子バリア[45]、GaN中間バリアを持つInGaN/GaN/AlGaN/GaN MQW[46]、しわMQW[47]、MQW前の歪み緩和層挿入[48]などです。しかし、QCSEはc面窒化物材料の固有特性によって誘起されます。MQWのいくつかの調整だけではこの効果を完全に抑制することはできません。最近、非極性窒化物LEDで十分な効率が達成されています。非極性GaN基板のコストが削減できれば、非極性LEDはQCSE低減と安定したフルカラー発光実現の理想的解決策になり得ます[49]。

キャリア輸送とマッチング

電子（J_n）と正孔（J_p）電流密度は以下のように表せます：

J_n = σ_n |E| = n q μ_n |E| (4)

J_p = σ_p |E| = p q μ_p |E| (5)

ここで、σ_nとσ_pは伝導度、nとpは濃度、μ_nとμ_pは電子と正孔の移動度、Eは電界を表します。窒化物では、正孔濃度は電子より1桁低く[50]、正孔移動度は電子より2桁低いです[51]。この濃度と移動度の非対称性はキャリアフラックスのミスマッチ（J_n > J_p）を引き起こし、以下の2つの面でLED性能を悪化させます。

電流注入効率：電流注入効率η_CIEは、再結合電流J_recombと総電流J_totalの比で、以下のように表されます[52]：

η_CIE = J_recomb / J_total = (J_n-recomb + J_p-recomb) / (J_n + J_p) = 2 × J_p / (J_n + J_p) (6)

J_recombはキャリア電流の小さい方、すなわち正孔電流に依存します。式(6)は、キャリアミスマッチ（J_n > J_p）がCIEの最大化を制限することを確認しています。

輻射再結合率：輻射再結合率R_radはフェルミの黄金律により以下のように記述されます：

R_rad = C ∫ dE_cv h ν_cv |M_T(E_cv)|² ρ_r(E_cv) f_v(1 - f_c) (7)

ここで、Cは定数、E_cvは遷移エネルギー、hはプランク定数、ν_cvは生成光周波数、ρ_rは縮約状態密度、f_cとf_vはフェルミ・ディラック分布、|M_T|²は運動量行列要素です[53]。正孔が少なくQWに追加電子が蓄積すると、結晶格子の膨張と引張歪みの蓄積を引き起こします。この応力変化により、価電子帯最大値周辺の量子準位の電荷密度が減少します。これは式(7)に従い光学遷移確率をさらに低下させ、R_radを減少させます。このように、単一QWでの局所的キャリアミスマッチもIQEを制限します。このトピックのより具体的な議論は先行報告[54-56]にあります。

以下のセクションでは、QW数、p型ドーピング濃度、EBL構造がキャリア輸送に与える影響を分析し、最適キャリアマッチング条件を決定します。最後に、低電流密度で動作する効率的マイクロLEDディスプレイ向けの最適化エピタキシャル構造を提案します。

5QWでのキャリアミスマッチ

まず、5QWを持つ青色マイクロLEDのキャリア輸送特性をシミュレートしました。200 A/cm²と0.1 A/cm²でのキャリア濃度分布を追加ファイル1：図S3a, bに示します。高・低電流密度の両方で5QW内の不均一分布が観察されます。追加ファイル1：図S3c, dは、MQWでの電子移動度（684 cm²/V·s）が正孔移動度（10 cm²/V·s）より2桁高いことを示します。したがって、電子はMQWに注入されただけで再結合に参加せず通過してしまい、電子漏れ問題と低CIEを引き起こします[51]。

図3aは200 A/cm²での電子・正孔電流密度分布を示します。総正孔電流密度（217.4 A/cm²）は電子（333.3 A/cm²）の65.2%に過ぎず、深刻なキャリアミスマッチと低CIEを示します。漏れ電子電流は116.0 A/cm²に達し、輻射効率と正孔注入の両方を悪化させます。図3bに示すように、0.1 A/cm²では漏れ電子電流はわずか0.01 A/cm²で、計算されたη_CIEは95%に達します。これらの結果は、低電流密度では高CIE達成が容易であることを示します。しかし、第5QWでJ_p = J_nが達成できる以外、他の4つのQW（QW 1, 2, 3, 4）では高・低電流密度の両方でキャリアミスマッチと追加電子蓄積がかなり深刻です。200 A/cm²では、これら4QWの電子電流密度は正孔電流密度の120、43、16、5倍です（図3a）。0.1 A/cm²では、それぞれ23、9、4、2倍です（図3b）。式(7)に基づき、この大きなキャリアミスマッチはこれら4QWの輻射再結合率を明らかに低下させます。したがって、これら4QWの輻射再結合率は第5QWと比較して、200 A/cm²で約3.4%、4.0%、10.1%、34.2%、0.1 A/cm²で11.3%、10.1%、10.7%、21.2%に過ぎません。これらのキャリアミスマッチと低輻射発光が最終的にマイクロLEDの単体効率を低下させます。

5QW LEDのキャリア電流分布 a 200 A/cm²、b 0.1 A/cm²。5QW LEDの輻射再結合率 c 200 A/cm²、d 0.1 A/cm²

キャリア輸送とマッチングに影響する要因

QW数：従来の大型LEDが高電流密度で動作する場合、高光出力電力を達成するために5、さらには8や10周期のMQWが使用されなければなりません。しかし、マイクロLEDエミッシブディスプレイでは、出力電力ははるかに小さく、動作電流密度もはるかに低いです。前節で議論したように、低電流密度でも5QWではキャリアミスマッチがかなり深刻で、最良マッチング条件を達成できるのは1つのQWのみです。この観点から、低電流密度で動作するマイクロLEDでは、QW数の少ない活性領域がキャリアマッチング改善により効率向上に適した設計であると考えられます。

QW数のマイクロLEDへの影響を検証するため調査を行いました。図4a–fは、0.1 A/cm²での3QW、2QW、1QW LEDのキャリア電流密度と輻射再結合率を示します。電流曲線は単調減少傾向のため1つの交点（最良キャリアマッチング点、J_n = J_p）しかありませんが、QW数が少ない3QWと2QWのケースでは、2つの異なるQWで2つの交点が達成できます（図4a, b）。つまり、MQWでのキャリアミスマッチはQW数を減らすことで部分的に克服できます。特に2QWでは、適切な調整により2つのQWすべてでキャリアフラックスの完全マッチングが達成できます。輻射再結合率も、キャリア消費がより少ないQWを持つ活性領域に集中するため、2QWで3QWと5QWより高くなります（図3d, 4d, e）。疑いなく、最良キャリアマッチングは1QW LEDにあり、輻射再結合率も1QWで最高です（図4c, f）。

0.1 A/cm²でのキャリア電流分布：a 3QW、b 2QW、c 1QW。輻射再結合率：d 3QW、e 2QW、f 1QW

図5a, bは、0〜200 A/cm²と0〜10 A/cm²での電流密度関数としてのIQEを示します。50 A/cm²より高い電流密度では、QW数減少とともにIQEは低下します。対照的に、約30 A/cm²より低い電流密度では、QW数減少とともにIQEは上昇します。0.1 A/cm²では、8、5、3、2、1 QWのIQE値はそれぞれ55%、62%、69%、77%、78%です。さらに図5bに示すように、ピークIQE位置も8 QWの6.0 A/cm²から2QWの約1.2 A/cm²という最低電流密度へシフトします。低電流密度（< 1 A/cm²）でのIQE曲線も、QW数減少とともにより急峻になり、最高効率達成がより容易かつ迅速になります。これは低電流密度での効率向上に非常に有益です。このIQE傾向の物理メカニズムは、キャリアフラックスのより良いマッチングと、より少ないQW数を持つ活性領域でのより集中した強力な輻射発光によって説明できます。図5cに示すように、8 QWと比較して、5、3、2、1 QWの0.1 A/cm²での積分EL強度はそれぞれ約6.1%、14.8%、28.4%、32.1%増加します。この結果は、効率だけでなく出力電力もQW数減少で改善されることを確認しています。

a IQE曲線、b 低電流密度でのIQE曲線（8、5、3、2、1 QW）。c 0.1 A/cm²でのELスペクトル（8、5、3、2、1 QW）

シミュレーション結果は、1QWが最高EL強度を持ち、低電流密度動作マイクロLEDにとって最良構造かもしれないことを示します。しかし実験的には、平坦な表面とシャープな界面を持つ単一QWをエピタキシャル成長させるのは困難です。また、1QW構造ではピークIQE位置がわずかに2.9 A/cm²へシフトし、IQE曲線形状もわずかに変化します。これは単一QWの特殊な事情で説明できます。他のQWと比較して、EBLに隣接するQWは特殊な分極環境を持ち、「問題QW」と見なされます。このトピックはAlGaN EBLのセクションで詳細に議論します。これらの理由を考慮すると、2QWが最良の活性領域設計であり、1QWと同様の良好なキャリアフラックスマッチング、近いIQE値、EL強度を持つためです。したがって、以降のセクションではすべてのシミュレーションを2QWマイクロLEDに基づいて行います。

p-GaNドーピング濃度：p-GaNの異なるp型ドーピング濃度を持つ2QW LEDの性能をさらに調査しました。図6aに示すように、p-GaNドーピング濃度を1 × 10¹⁸ cm⁻³から5 × 10¹⁹ cm⁻³へ増加させると、0.1 A/cm²での輻射再結合率が2つのQWでそれぞれ約3.1%と3.0%さらに増加します。図6bは、総正孔電流密度が0.157から0.162 A/cm²へ増加し、同時に漏れ電子電流密度が0.009から0.005 A/cm²へ減少することを示します。注目すべきは、n側近くのQWでの再結合電流がp側近くのQWより高いことです（図6b）。したがって、n側近くのQWの輻射再結合率もp側近くのQWよりわずかに高くなります。図6cに示すように、キャリアのEBLでのエネルギー障壁（電子/正孔準フェルミレベルと最高伝導帯/最低価電子帯のエネルギー距離で定義）は、p-GaNの異なるドーピング濃度下でほぼ変化しません。つまり、ドーピング濃度増加で正孔注入は改善されません。図6dはp-GaNとQWの平均正孔濃度を示します。p-GaN内の正孔濃度はドーピング濃度にほぼ指数関数的に依存します。QW内では、より高いドーピング濃度で正孔濃度が約1.59 × 10¹⁹ cm⁻³から3.08 × 10¹⁹ cm⁻³へ約2倍に増加します。これらの結果は、正孔濃度増加が輻射再結合改善の主寄与であることを示します。したがって、低電流密度でも窒化物のp型ドーピング問題は依然として顕著であり、ドーピング効率と正孔濃度の向上はマイクロLED効率に依然として有益です。

a p-GaNさまざまなドーピング濃度での2QW LED輻射再結合率。b p-GaN異なるドーピング濃度でのキャリア電流分布。c p-GaN異なるドーピング濃度でのEBL拡大エネルギーバンド図。d p-GaNさまざまなドーピング濃度でのp-GaNとQW平均正孔濃度

AlGaN EBL：過去数十年間、10–20 nmのp型AlGaN EBLは従来の窒化物ベースLEDの標準構造となっています。このEBLは、高注入電流密度での電子漏れをブロックし効率ドロープを抑制すると考えられています。それにもかかわらず、EBLはLEDにとって依然として非常に複雑で微妙な構造です。Al組成、AlGaNのp型ドーピング効率、バンドオフセット比、分極効果など多くの重要因子が関わり、それぞれがバンド構造とキャリア輸送に実質的に影響し、EBLの有効性を決定します。EBL構築には厚さ、組成、ドーピング濃度を考慮し、電子閉じ込め強化と正孔注入阻害のバランスを慎重に最適化しなければならず、そうでなければ逆効果となりLED性能を悪化させる可能性があります。マイクロLEDでは、低電流密度動作でのEBL有効性を再考する必要があり、従来の高入出力LEDとは異なる可能性があります。

a. EBLドーピング濃度：まず、低電流密度でのEBLドーピング濃度がキャリア輸送に与える影響を調査します。EBL厚さとAl組成はそれぞれ20 nmと0.15で固定します。AlGaNへのMgドーパントの低溶解度、結晶劣化、過ドーピングによる補償効果[50]を考慮し、EBLドーピング濃度をまず3 × 10¹⁸ cm⁻³に設定します。図7aは対応するエネルギーバンド構造を示します。明らかに、EBL存在にもかかわらず、最後のQWとEBLの下向きバンド曲がりによる不十分な電子閉じ込めで、電子漏れが依然として生じます。最後のQBとEBL界面で電子準フェルミレベル下に新しいエネルギー谷が出現します。したがって、電子はQWから逃げ出しこの領域に蓄積します。このバンド構造の歪みはEBLを比較的無効にし、分極効果に起因します。図7cに示すように、強い分極が界面に大量電荷を誘起します。アンバランスな分極電荷が最後のQB/EBL界面で正であるため、p側からn側へ向かう大きな静電場が最後のQBに蓄積し、他のQBとEBLの電場とは逆方向になります。これらの静電場は最後のQBとEBLのエネルギーバンドを引き下げます。さらに、最後のQWと最後のQBの電場はどちらも電子を引き寄せ、活性領域からp層へ駆り立てます。これはキャリア濃度図で観察できます（図7d）。点線黒線は、電子の一部が活性領域から逃げ出し最後のQB/EBL界面に蓄積することを示します。EBLとp-GaNでは漏れ電子が比較的高く残っています。

2QW LEDのエネルギーバンド図：a 3 × 10¹⁸ cm⁻³、b 6 × 10¹⁹ cm⁻³ EBLドーピング濃度。c 空間電荷密度、d 3 × 10¹⁸と6 × 10¹⁹ cm⁻³ EBLドーピング濃度でのキャリア濃度分布。cのインセットは分極場の方向を示す

一方、EBLは正孔注入に対して最大480 meVのポテンシャル障壁を導入します。さらに、図7a, cに示すように、分極効果によりEBL/p-GaN界面領域で正孔準フェルミレベル近くにエネルギー谷が出現します。図7dの実線黒線で示すように、ほとんどの正孔はEBLによってブロックされ、EBL/p-GaN界面のエネルギー谷に蓄積します。この非効率なキャリア輸送により、最後のQWは「問題QW」と見なされ、EBLは電子閉じ込め能力が低く、不良な正孔注入の原因となっています。従来の高入出力LEDと比較して、この分極誘起EBL機能無効化は、低電流密度でのキャリアスクリーニング減少による分極効果増強により、マイクロLEDで特に深刻になる可能性があります。

EBLドーピング濃度増加によるバンドエンジニアリングは、電子閉じ込めと正孔注入改善の可能性ある方法です。AlGaN EBLのMgドーパント活性化エネルギーはGaNより高いため、類似ドーピング濃度でもEBLの活性正孔濃度はp-GaNよりはるかに低くなります。低正孔濃度は正孔準フェルミレベルと価電子帯をさらに分離し、障壁高さを増加させます。この分析に基づき、EBLドーピング濃度はp-GaNよりはるかに高くする必要があります。実際の実験におけるドーピング限界を考慮し、6 × 10¹⁹ cm⁻³をEBLの新ドーピング濃度として選択します。図7bに示すように、ドーピング濃度増加により正孔準フェルミレベルの整列でEBL価電子帯が持ち上げられ、正孔エネルギー障壁が281 meVへ減少します。さらに、高p型ドーピングは電子準フェルミレベルをEBL伝導帯に関して低下させ、電子漏れの実効障壁を1175 meVへ増加させます。これらの変化は電子閉じ込めと正孔注入を改善します。図7dは、3 × 10¹⁸ cm⁻³ドーピング濃度と比較して、活性領域の正孔濃度が大幅に増加し、EBLとp-GaNの漏れ電子がほぼゼロまで減少することを示します。しかし、EBL/p-GaN界面のエネルギー谷は依然として存在します。さらに、価電子帯の持ち上げは最後のQB/EBL界面で正孔蓄積のための新しいエネルギー谷も導入し、図7dの正孔濃度分布で確認できます。これらのエネルギー谷はQWへの正孔注入を妨げ、高ドーピング濃度の利点を相殺します。

b. EBL Al組成：ドーピング濃度増加と比較して、AlGaN EBL組成を減らすことは、低電流密度でのキャリア輸送改善により容易で効率的な方法かもしれません。EBL有効性はAl組成、バンドオフセット、分極効果に敏感に依存します。EBL Al組成増加は最後のQB/EBL間バンドオフセットを増加させ、電子障壁高さを増やせます。しかし、図8aに示すように、界面での分極誘起電荷もそれに応じて増加し、電子障壁高さを引き下げます。2つのメカニズムが電子閉じ込めで逆効果を持ちます。

a 異なるEBLを持つ2QW LEDの空間電荷密度分布。インセットは分極場方向を示す。2QW LEDのエネルギーバンド図：b Al₀.₁Ga₀.₉N EBL、c EBLなし。d キャリア濃度分布、e キャリア電流密度、f IQE、g ELスペクトル。gのインセットは異なるEBLでの0.1と1 A/cm²動作電圧を示す

この分析に基づき、200と0.1 A/cm²での異なるEBL構造を持つ2QWマイクロLEDのキャリア輸送を調査しました。異なるEBLの実効エネルギー障壁高さの結果を表1にまとめます。まず、低電流密度での電子と正孔エネルギー障壁は、非平衡キャリア集団が少ないため高電流密度ケースよりはるかに高くなります。高エネルギー障壁は電子閉じ込めを改善しますが、低電流密度では正孔注入を深刻に阻害します。これは、マイクロLED低電流密度動作でのEBLキャリア輸送への影響が、従来の高入出力LEDよりはるかに大きいことを示します。表1はまた、EBLの比較的低Al組成では電子障壁がAl組成増加とともに減少することを示し、高Al組成によるバンドオフセット増加より分極効果による伝導帯引き下げが大きいことを意味します。さらに組成を増やすと、電子障壁は組成とともに増加し、バンドオフセットが分極効果を上回るようになります。高電流密度と比較して、この組成転換点は低電流密度でキャリアスクリーニング減少による分極効果増強のためより高くなります。一方、最後のQB/p-GaN間の本来のバンドオフセットとバンド曲がりにより、EBLなしでも電子と正孔のエネルギー障壁が界面に存在します。200 A/cm²では、組成が0.20未満で電子エネルギー障壁はEBLなしケースより低いが、正孔障壁は約64 meV高くなります。0.1 A/cm²では、組成0.20超でもAlGaN EBL電子障壁（523 meV）はEBLなし（674 meV）より151 meV低いが、正孔障壁は409から485 meVへ約76 meV増加します。これらの結果は、不適切な組成のEBLが電子閉じ込めと正孔注入の両方を悪化させる可能性があり、特に低電流密度動作マイクロLEDで顕著であることを示します。

より深い分析のため、代表としてAl₀.₁₀Ga₀.₉₀N EBLとEBLなしマイクロLEDのバンド構造を図8b, cに示します。EBLは最後のQB/EBLとEBL/p-GaN界面で電子と正孔蓄積のための2つのエネルギー谷を導入し、図8dのキャリア濃度図で確認できます。したがって、この構造では電子閉じ込めと正孔注入が不良です。EBLを除去すると、図8cに示すように電子障壁が増加し、電子抽出・蓄積のエネルギー谷が消失します。これらの変化は電子漏れをより効果的に防ぎ、図8dで確認されます。同時に、正孔注入障壁高さが減少し、EBL/p-GaN界面のエネルギー谷も除去されます。したがって、正孔は大きな障害なしで直接QWへ輸送できます（図8c, d）。

以上の慎重な調査は、EBLなしが低電流密度動作マイクロLEDにとってより良い構造かもしれないことを示唆します。シミュレーション結果もこの提案を支持します。図8eは、0.1 A/cm²での異なるEBL構造によるキャリア電流密度を示します。EBL Al組成を0.15から0.04へ減らすと、総電子・正孔電流密度がそれぞれ0.167、0.159 A/cm²から0.225、0.225 A/cm²へ増加します。さらに、EBLを完全除去すると、総電子・正孔電流密度がともに0.528 A/cm²へ大幅増加し、Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N EBL比で約3倍になります。この向上は電子閉じ込めと正孔注入改善に起因します。

図8fは低電流密度でのIQE曲線を示します。EBL Al組成を0.15から0.04へ減らすと、キャリア輸送改善によりIQE値が明確に増加します。しかし、EBLを完全除去すると、Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBL比でIQE値がわずかに減少します。これは2QWでのキャリアマッチングで説明できます。図8eの緑矢印で示すように、Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBLでは2つのQW両方で完全キャリアマッチングが起こります。EBL除去による電流密度増加で、第1QWで電子・正孔フラックスマッチングがわずかに崩れ、電子電流密度が正孔よりわずかに高くなります。したがって、この1QWでのキャリアミスマッチでIQEがわずかに減少します。

EBLなし構造の優位性は、改善されたキャリア輸送により依然として顕著です。図8gに示すように、0.1 A/cm²ではEBLなしマイクロLEDの積分EL強度は、Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N、Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N、Al₀.₀₄Ga₀.₉₆N EBLを持つLED比でそれぞれ3.53、3.23、2.38倍高くなります。さらに、図8gインセットに示すように、1 A/cm²と0.1 A/cm²での動作電圧はEBL除去によりそれぞれ約0.53 Vと0.57 V減少します。これは電気効率を改善し、最終的にマイクロLEDのWPEを向上させます。EBLフリー構造が低電流密度動作マイクロLEDのより良い設計であることをさらに確認するため、既知最高効率の報告青色マイクロLED構造を用いた別シミュレーションを実施しました。結果と議論は補足資料（追加ファイル1：図S4a-d）にあります。

低電流密度動作マイクロLED向け最適化構造

以上のシミュレーションと分析に基づき、低電流密度で動作する効率的マイクロLEDエミッシブディスプレイ向けに特別に設計された最適化エピタキシャル構造を提案します（図9）。3つの原則に従う必要があります。第一、従来の大型高出力窒化物LEDとは対照的に、マイクロLEDのQW数はわずか2つに減らすべきで、より良いキャリアマッチング条件、より集中した輻射発光、より高いIQEとWPEを持ちます。第二、窒化物では電子と比較して相対的に低い正孔濃度と移動度のため、p型ドーピングは依然として強化が必要で、より効率的なp型ドーピング戦略が求められます。第三、キャリア輸送とマッチング改善のため、AlGaN EBLドーピング濃度を大幅に向上させるか、AlGaN EBLを完全除去すべきです。AlGaN EBLを使用しないことで、低電流密度でのマイクロLED電子閉じ込め、正孔注入、キャリアマッチング、IQE、WPEを大幅に改善できます。

低電流密度で動作するマイクロLEDエミッシブディスプレイ向けに特別に設計された最適化エピタキシャル構造の概略図

オーゲ再結合とSRH非輻射再結合

式(3)に基づき、輻射再結合以外にSRHとオーゲ再結合もLEDのIQEで重要な役割を果たします。したがって、マイクロLEDでのSRHとオーゲ再結合の効果とメカニズムを調査することは重要です。この部分では、2QW LED構造を使用し、SRH寿命以外のすべてのシミュレーションパラメータは手法セクションで言及したものと同じです。

無視できるオーゲと顕著なSRH再結合

SRH再結合率は以下のように表せます[57]：

R_SRH = (np - n_i²) / [τ_p (n + n_i exp(E_T/kT)) + τ_n (p + n_i exp(E_T/kT))] (8)

τ_p = 1/(c_p N_t), τ_n = 1/(c_n N_t) (9)

c_p = σ_p ν_p, c_n = σ_n ν_n (10)

ここで、n_iは固有キャリア濃度、τ_pとτ_nは正孔と電子SRH寿命、E_Tはトラップ準位と固有フェルミレベル間エネルギー差、c_pとc_nは電子・正孔捕獲係数、N_tはトラップ密度、σ_pとσ_nは電子・正孔捕獲断面積、ν_pとν_nは電子・正孔平均熱速度です。式(8)–(10)によれば、トラップのSRH再結合はその密度、捕獲断面積、エネルギー準位で完全に特定されます。

オーゲ再結合率は以下で与えられます：

R_Auger = (C_n n + C_p p)(np - n_i²) (11)

ここで、C_nとC_pはオーゲ再結合係数です。

注入正孔・電子濃度が非ドープQW内の固有キャリア濃度よりはるかに高いことを考慮すると（シミュレーション結果によれば、外部注入電流がない場合QW最高キャリア濃度は約10⁷ cm⁻³）、SRHとオーゲ再結合率は以下のようにさらに簡略化できます：

R_SRH = np / (τ_p n + τ_n p) (12)

R_Auger = (C_n n + C_p p) np (13)

式(12)と(13)は明確に、R_SRHがキャリア濃度の第1乗に比例するのに対し、R_Augerはキャリア濃度の第3乗に依存することを示します。すなわち、R_SRHは低電流密度に敏感で、R_Augerは高電流密度でより優勢です。

この理論分析はシミュレーション結果と一致します。図10a, bは、200と0.1 A/cm²での計算輻射、SRH、オーゲ再結合率を示します。高電流密度では、オーゲ再結合率（約0.8–1.4 × 10²⁹ cm⁻³s⁻¹）は輻射率（約4.2–6.0 × 10²⁹ cm⁻³s⁻¹）と比較可能です。実際、高駆動電流での効率ドロープの本質的問題は現在、オーゲ再結合によって引き起こされることが広く認められています[20]。一方、低電流密度では、相対的にオーゲ再結合率が劇的に2桁低下（約6.3–7.2 × 10²² cm⁻³s⁻¹）し、輻射再結合（約3.7–4.0 × 10²⁴ cm⁻³s⁻¹）よりはるかに小さくなります。したがって、オーゲ再結合は低電流密度で無視できます。逆に、電流密度減少に伴い、SRH再結合率は200 A/cm²での小さな値（輻射再結合より2桁低い）から、0.1 A/cm²では輻射発光と比較可能なレベルまで相対的に増加します。結果として、低電流密度動作マイクロLEDは、オーゲ再結合ではなくSRHまたは欠陥再結合の改善を必要とします。

2QW LEDの輻射、SRH、オーゲ再結合率：a 200 A/cm²、b 0.1 A/cm²。c さまざまなSRH寿命での200と0.1 A/cm²のSRH/輻射比。d 200と0.1 A/cm²でのIQE値、e 大電流密度でのIQE曲線、f 低電流密度でのさまざまなSRH寿命でのIQE曲線

低欠陥密度要求

式(9)によれば、SRH寿命τ_pとτ_nは欠陥密度N_tに反比例します。したがって、欠陥密度効果はシミュレーションでSRH寿命を単純に変更することで推定できます。図10cは、さまざまなSRH寿命でのSRH/輻射再結合率比を示します。SRH寿命が150から50 nsへ減少（欠陥密度増加）すると、SRH/輻射比は200 A/cm²で0.01から0.03へわずかに増加しますが、0.1 A/cm²では0.15から0.43へ大幅増加します。これは、低電流密度ではキャリアのずっと大きな割合がトラップ欠陥によって消費されることを意味します。したがって、効率は高電流密度よりも低電流密度ではるかに欠陥密度に敏感です。図10d, eのIQE結果がこの傾向を確認します。SRH寿命が150から50 nsへ減少すると、IQEは200 A/cm²で約0.01しか減少しませんが、0.1 A/cm²では約0.17劇的に減少します。さらに図10fに示すように、SRH寿命減少に伴い、ピークIQE位置も3.1 A/cm²から9.0 A/cm²というより高い電流密度へシフトし、IQE曲線は緩やかになり、閾値/発端電流が増加します。これは低電流密度でのマイクロLED効率向上に不利です。

従来の大型高出力LEDが高電流密度で動作するのと比較して、低電流密度動作マイクロLEDは欠陥密度に対してはるかに敏感であり、欠陥再結合最小化が高効率達成のために極めて重要です。したがって、マイクロLEDは従来LEDよりはるかに高い材料結晶品質を要求し、材料エピタキシャル成長とデバイス製造においてコミュニティに大きな課題を提示します。

結論

要約すると、InGaNマイクロLEDの低電流密度動作における動作挙動、メカニズム、条件を数値的に調査し、マイクロLEDディスプレイ向けに特別に設計された最適化エピタキシャル構造を提案しました。分極効果分析により、マイクロLEDは低電流密度でより深刻なQCSEに苦しむことが示され、効率向上と発光色点制御がより困難になります。キャリア輸送とマッチングを分析し、マイクロLEDの動作条件を決定しました。QW数減少がキャリアマッチングを改善し、低電流密度でより高い効率と出力電力をもたらすことを示しました。マイクロLEDへのEBL有効性を分析し、低電流密度ではEBL除去により電子閉じ込めと正孔注入が同時に改善されることを見出しました。さらに、シミュレーションによりオーゲ再結合は無視できるが、SRH再結合が低電流密度でのマイクロLED効率に大きく影響し、材料結晶品質とデバイス製造プロセスにより高い要求を提起することを示しました。本数値研究は、効率的マイクロLEDディスプレイ作成への貴重な指針を提供し、この分野の将来研究を促進できます。

データと材料の利用可能性

現在の作業におけるデータと分析は、合理的な要請に基づき責任著者から入手可能です。

略語

Micro-LED:

マイクロ発光ダイオード

QCSE:

量子閉じ込めスターク効果

EBL:

電子ブロッキング層

SRH:

ショックリー・リード・ホール

LCD:

液晶ディスプレイ

OLED:

有機発光ダイオード

TV:

テレビ

VR:

バーチャルリアリティ

AR:

拡張現実

QW:

量子井戸

MQWs:

多重量子井戸

EQE:

外部量子効率

IQE:

内部量子効率

QB:

量子障壁

WPE:

壁面プラグ効率

CIE:

電流注入効率

LEE:

光取り出し効率