研究背景与简介

以无机材料制造的Micro-LED作为下一代显示技术，克服了以往有机发光二极管寿命低与量子点发光二极管对比度低等缺点，具备低功耗、长寿命、高响应速度、高像素密度等优势，使得Micro-LED在高亮度和高分辨率的显示需求方面表现卓越，特别适用于智能终端、户外屏幕、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等高端显示设备。Micro-LED的尺寸通常小于100 μm，随着芯片尺寸缩小，在器件上集成金属电极和检测时探针对准的难度大大增加，传统电致发光检测方法面临巨大挑战。为了实现Micro-LED的低损伤稳定驱动和高精度检测需求，交流驱动LED技术成为了热门的候选技术。单端接触驱动是交流驱动方式的一种，该驱动模式仅需单个电极接触即可驱动Micro-LED芯片，降低了检测过程中电极集成与探针对准的难度，在芯片检测中展现出低损伤、低技术要求和高适用性的显著优势。然而，由于限制了外部载流子的注入，单端电接触式驱动的Micro-LED芯片具有驱动电压高、发光强度低、发光不稳定等缺点，使其在芯片检测中的信噪比极低，对检测系统灵敏度提出了很高的要求，从而制约了该驱动方式应用于Micro-LED芯片检测。此外，关于单端电接触式驱动方式的相关研究还处于初期阶段，多集中在定性研究各种影响因素对宏观驱动效果的影响，缺乏对Micro-LED内部固有载流子（电子和空穴）输运和辐射复合机制的直接物理描述，其内部工作机理尚不明确。

针对这一问题，提出了通过构建单端接触驱动Micro-LED有限元仿真模型，定量探究分析了驱动电压的波形、幅值、频率和蓝宝石衬底电容值等因素对Micro-LED内部能带、载流子浓度和发射率的影响，通过光刻工艺制造的单端接触驱动Micro-LED芯片成功实现交流驱动点亮，并且实验结果与仿真结果趋势吻合。研究结果表明，在一定范围内增大驱动电压的幅值和蓝宝石衬底的电容值、调整频率至合适水平、利用方波代替其他波形驱动，有利于产生更大的能带弯曲，进而增大MQW区域的载流子浓度，最终产生更显著的复合发射。本研究为揭示单端电接触式驱动方式的底层机理提供了参考，并有助于实现Micro-LED芯片的高稳定、高效率和高灵敏点亮，从而大幅度提高芯片检测的信噪比和准确性，推动高精度和无损伤Micro-LED芯片检测技术的进步。

相关成果在Journal of Physics D: Applied Physics期刊发表（https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/adaf34），该工作主要由袁攀、梁嘉潮等同学完成，通讯作者为李家声。

图文导图

1.单端接触驱动Micro-LED芯片物理模型及外延层结构

图1. 半导体仿真示意图及模型参数：(a) 单端电接触式驱动的Micro-LED芯片仿真结构示意图；(b) 仿真一维模型图；(c) 外延层掺杂浓度图；(d) 仿真外部电路参数及外延层尺寸和具体成分

2.量子阱QW1~QW7内的载流子浓度和发射率变化情况

图2. 单端接触驱动 Micro-LED芯片外延层的载流子浓度和发射率在单个正弦周期内的变化：(a)、(b) 不同量子阱中电子和空穴浓度的变化；(c)、(d) 自发辐射复合速率在正半周期和负半周期的空间分布。

3.蓝宝石衬底电容值对Micro-LED电致发光特性的影响

图3. 一个周期内Micro-LED特性随蓝宝石衬底电容值变化情况：(a) 能级差∆EPN的变化；(b) QW7内的电子浓度；(c) QW7内的空穴浓度；(d) Micro-LED的总发射率

4.单端接触驱动Micro-LED芯片的驱动点亮和实验验证

图4. 电路参数对单端接触驱动Micro-LED芯片电致发光特性影响的实验验证： (a) 不同波形驱动下的光强（插图：Micro-LED芯片实物图）；(b) 不同电压幅值时的光强；(c) 不同驱动频率下的光强；(d) 不同蓝宝石衬底电容值时的导通电压。