面向Micro⁃LED驱动与检测的单端注入电致发光机理

李俊龙; 李文豪; 苏昊; 邱佳雯; 王堃; 张永爱; 周雄图; 吴朝兴; 郭太良

doi:10.37188/CJL.20220270

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面向Micro⁃LED驱动与检测的单端注入电致发光机理

发光产业及技术前沿 | 更新时间：2023-02-13

- 面向Micro⁃LED驱动与检测的单端注入电致发光机理
  增强出版
- Single-terminal Injection Electroluminescence Mechanism for Micro-LED Driving and Detection
- 发光学报 2022年43卷第12期页码：1991-2000
- 作者机构：
  
  1.福州大学物理与信息工程学院，福建福州　350108
  2.中国福建光电信息科学与技术创新实验室，福建福州　350108
- 作者简介：
  
  [ "李俊龙（1999-），男，福建南平人，硕士研究生，2021年于福州大学获得学士学位，主要从事Micro-LED及量子点显示器件的应用基础研究。 E-mail： 211120029@fzu.edu.cn" ]
  [ "王堃（1995-），男，福建福安人，博士研究生，2021年于福州大学获得硕士学位，主要从事纳米发光显示及新型光电子器件的应用基础研究。 E-mail： 211110018@fzu.edu.cn" ]
  [ "吴朝兴作者简介:（1985-），男，福建晋江人，博士，教授，博士生导师，2015年于福州大学获得博士学位，主要从事纳米材料光电性能及其在纳米发光显示、神经元显示、类神经电子的应用基础研究。 E-mail： chaoxing_wu@fzu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2021YFB3600404)
- DOI：10.37188/CJL.20220270
  中图分类号： TN312⁺.8
- 纸质出版日期：2022-12-05，
  
  收稿日期：2022-07-09，
  
  修回日期：2022-08-01，
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李俊龙,李文豪,苏昊等.面向Micro⁃LED驱动与检测的单端注入电致发光机理[J].发光学报,2022,43(12):1991-2000.

LI Jun-long,LI Wen-hao,SU Hao,et al.Single-terminal Injection Electroluminescence Mechanism for Micro-LED Driving and Detection[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(12):1991-2000.
李俊龙,李文豪,苏昊等.面向Micro⁃LED驱动与检测的单端注入电致发光机理[J].发光学报,2022,43(12):1991-2000. DOI： 10.37188/CJL.20220270.

LI Jun-long,LI Wen-hao,SU Hao,et al.Single-terminal Injection Electroluminescence Mechanism for Micro-LED Driving and Detection[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(12):1991-2000. DOI： 10.37188/CJL.20220270.

摘要

Micro⁃LED具有高分辨率、高色域、高稳定性等优点，在近眼显示领域具有广阔的应用前景。然而，Micro⁃LED存在着巨量电致发光检测和巨量金属键合两大技术瓶颈。本文提出了一种单端载流子注入的Micro⁃LED工作模式，并制备了一种基于该工作模式的Micro⁃LED器件，即单注入型Micro⁃LED。通过实验和仿真研究单注入型Micro⁃LED的工作过程，探究其工作机理。研究了单注入型Micro⁃LED在正弦交流电下的电流⁃驱动电压关系、电流⁃驱动频率关系、亮度-驱动频率关系，以及能带的周期性变化规律，并提出单注入型Micro⁃LED的载流子输运模型。最后，展示了单注入模式在垂直结构Micro⁃LED检测领域的应用，为Micro⁃LED检测提供了新思路。

Abstract

Micro light-emitting diode（Micro-LED）， with many advantages such as high-resolution， high color gamut， and high stability， has broad prospects for near-eye display. However， two major technical issues in Micro-LED need to be solved， including mass electroluminescence detection and mass metal bonding. In this work， a working mode for Micro-LED with single-terminal carrier-injection is proposed， and a single-injection type Micro-LED related to the working mode is fabricated. The working process is studied by experiments and simulations in order to explore the working mechanisms. The current-voltage， current-frequency， brightness-frequency relationship and the periodic variation of the energy band of single-injection type Micro-LED under sinusoidal alternating current are studied. Moreover， the carrier transport model of single-injection Micro-LED is proposed. Finally， the application of single-injection mode used in the detection of vertical structure Micro-LED is demonstrated， which provides new ideas for Micro-LED detection.

关键词

Micro-LED单端载流子注入电致发光检测交流电

Keywords

Micro-LEDsingle-terminal carrier-injectionelectroluminescence detectionalternating current

references

WU C X， WANG K， ZHANG Y A， et al. Emerging nanopixel light-emitting displays： significance， challenges， and prospects ［J］. J. Phys. Chem. Lett.， 2021， 12（14）： 3522-3527. doi: 10.1021/acs.jpclett.1c00248http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c00248

TEMPLIER F. GaN-based emissive microdisplays： a very promising technology for compact， ultra-high brightness display systems ［J］. J. Soc. Inf. Disp.， 2016， 24（11）： 669-675.

史晓刚，薛正辉，李会会，等. 增强现实显示技术综述［J］. 中国光学， 2021， 14（5）： 1146-1161. doi: 10.37188/CO.2021-0032http://dx.doi.org/10.37188/CO.2021-0032

SHI X G， XUE Z H， LI H H， et al. Review of augmented reality display technology ［J］. Chin. Opt.， 2021， 14（5）： 1146-1161. （in Chinese）. doi: 10.37188/CO.2021-0032http://dx.doi.org/10.37188/CO.2021-0032

郭俊达，金伟其，顿雄，等. 基于OLED微显示器和变形目镜的全景显示技术［J］. 中国光学， 2018， 11（4）： 684-693. doi: 10.3788/CO.20181104.0684http://dx.doi.org/10.3788/CO.20181104.0684

GUO J D， JIN W Q， DUN X， et al. Panoramic display technology based on OLED micro-display and anamorphic eyepiece ［J］. Chin. Opt.， 2018， 11（4）： 684-693. （in Chinese）. doi: 10.3788/CO.20181104.0684http://dx.doi.org/10.3788/CO.20181104.0684

季渊，王成其，陈文栋，等. OLED微显示器的原子扫描策略［J］. 光学精密工程， 2018， 26（4）： 998-1005. doi: 10.3788/ope.20182604.0998http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182604.0998

JI Y， WANG C Q， CHEN W D， et al. An atom scan strategy for OLED micro display ［J］. Opt. Precision Eng.， 2018， 26（4）： 998-1005. （in Chinese）. doi: 10.3788/ope.20182604.0998http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182604.0998

HUANG Y G， HSIANG E L， DENG M Y， et al. Mini-LED， Micro-LED and OLED displays： present status and future perspectives ［J］. Light： Sci. Appl.， 2020， 9（1）： 105-1-16.

WU T Z， SHER C W， LIN Y， et al. Mini-LED and Micro-LED： promising candidates for the next generation display technology ［J］. Appl. Sci.， 2018， 8（9）： 1557-1-17.

CHEN H W， LEE J H， LIN B Y， et al. Liquid crystal display and organic light-emitting diode display： present status and future perspectives ［J］. Light： Sci. Appl.， 2018， 7（3）： 17168-1-13.

DAY J， LI J， LIE D Y C， et al. Ⅲ-nitride full-scale high-resolution microdisplays ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2011， 99（3）： 031116-1-3. doi: 10.1063/1.3615679http://dx.doi.org/10.1063/1.3615679

NAKAMURA S， KRAMES M R. History of gallium-nitride-based light-emitting diodes for illumination ［J］. Proc. IEEE， 2013， 101（10）： 2211-2220.

ZHU G Q， LIU Y J， MING R， et al. Mass transfer， detection and repair technologies in micro-LED displays ［J］. Sci. China Mater.， 2022， 65（8）： 2128-2153.

潘祚坚，陈志忠，焦飞，等. 面向显示应用的微米发光二极管外延和芯片关键技术综述［J］. 物理学报， 2020， 69（19）： 198501-1-24. doi: 10.7498/aps.69.20200742http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20200742

PAN Z J， CHEN Z Z， JIAO F， et al. A review of key technologies for epitaxy and chip process of micro light-emitting diodes in display application ［J］. Acta Phys. Sinica， 2020， 69（19）： 198501-1-24. （in Chinese）. doi: 10.7498/aps.69.20200742http://dx.doi.org/10.7498/aps.69.20200742

SHIH F， TSOU C， FANG W. A monolithic micromachined thermocouple probe with electroplating nickel for Micro-LED inspection ［J］. J. Microelectromech. Syst.， 2021， 30（6）： 864-875.

UM J G， JEONG D Y， JUNG Y， et al. Active-matrix GaN µ-LED display using oxide thin-film transistor backplane and flip chip LED bonding ［J］. Adv. Electron. Mater.， 2019， 5（3）： 1800617-1-8.

SO H， SENESKY D G. Rapid fabrication and packaging of AlGaN/GaN high-temperature ultraviolet photodetectors using direct wire bonding ［J］. J. Phys. D： Appl. Phys.， 2016， 49（28）： 285109-1-8. doi: 10.1088/0022-3727/49/28/285109http://dx.doi.org/10.1088/0022-3727/49/28/285109

SO H， SENESKY D G. ZnO nanorod arrays and direct wire bonding on GaN surfaces for rapid fabrication of antireflective， high-temperature ultraviolet sensors ［J］. Appl. Surf. Sci.， 2016， 387： 280-284. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.05.166http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.05.166

PARK J， SIN Y G， KIM J H， et al. Dependence of adhesion strength between GaN LEDs and sapphire substrate on power density of UV laser irradiation ［J］. Appl. Surf. Sci.， 2016， 384： 353-359.

MISHKAT‐UL‐MASABIH S， LEONARD J， COHEN D， et al. Techniques to reduce thermal resistance in flip‐chip GaN‐based VCSELs ［J］. Phys. Status Solidi A， 2017， 214（8）： 1600819-1-5.

SUN J， FATIMA H， KOUDYMOV A， et al. Thermal management of AlGaN-GaN HFETs on sapphire using flip-chip bonding with epoxy underfill ［J］. IEEE Electron Device Lett.， 2003， 24（6）： 375-377.

周自平，黎垚，严银菓，等. Micro-LED应用于近眼显示的现状与趋势［J］. 液晶与显示， 2022， 37（6）： 661-679. doi: 10.37188/CJLCD.2022-0068http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2022-0068

ZHOU Z P， LI Y， YAN Y G， et al. Current situation and trend of Micro-LED application in near-eye display ［J］. Chin. J. Liq. Cryst. Disp.， 2022， 37（6）： 661-679. （in Chinese）. doi: 10.37188/CJLCD.2022-0068http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2022-0068

XU L L， XU J， ZHANG W， et al. High-stability reflective bonding pads for GaN-based flip-chip light-emitting diodes packaged by reflow soldering ［J］. J. Phys. D： Appl. Phys.， 2019， 52（26）： 265102-1-7.

YANG L Q， YUAN F， ZHANG J H. Effects of ultrasonic bonding parameters on reliability of flip chip GaN-based light emitting diode ［J］. J. Shanghai Univ. （Engl. Ed.）， 2011， 15（4）： 262-266.

CHO J， PARK J H， KIM J K， et al. White light-emitting diodes： history， progress， and future ［J］. Laser Photonics Rev.， 2017， 11（2）： 1600147-1-17.

NAKAMURA S. Nobel lecture： background story of the invention of efficient blue InGaN light emitting diodes ［J］. Rev. Mod. Phys.， 2015， 87（4）： 1139-1151.

FEEZELL D F， SPECK J S， DENBAARS S P， et al. Semipolar （20http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39818474&type=http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39818471&type=http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39818467&type=3.174987793.17599487）InGaN/GaN light-emitting diodes for high-efficiency solid-state lighting ［J］. J. Disp. Technol.， 2013， 9（4）： 190-198.

WANG K， CHEN P Q， CHEN J J， et al. Alternating current electroluminescence from GaN-based nanorod light-emitting diodes ［J］. Opt. Laser Technol.， 2021， 140： 107044. doi: 10.1016/j.optlastec.2021.107044http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107044

申奕伟，李文豪，郭家玮，等. 交流型量子点发光器件：现状、挑战与展望［J］. 真空科学与技术学报， 2022， 42（5）： 317-329.

SHEN Y W， LI W H， GUO J W， et al. AC-driven quantum dot light emitting devices： status， challenges and prospects ［J］. Chin. J. Vac. Sci. Technol.， 2022， 42（5）： 317-329. （in Chinese）

WU C X， WANG K， GUO T L. Theoretical study of LED operating in noncarrier injection mode ［J］. Nanomaterials， 2022， 12（15）： 2532-1-10.

PAN C C， TANAKA S， WU F， et al. High-power， low-efficiency-droop semipolar （20http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39818474&type=http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39818484&type=http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39818480&type=3.174987793.17599487） single-quantum-well blue light-emitting diodes ［J］. Appl. Phys. Express， 2012， 5（6）： 062103-1-3.

AHN B J， KIM T S， DONG Y Q， et al. Experimental determination of current spill-over and its effect on the efficiency droop in InGaN/GaN blue-light-emitting-diodes ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2012， 100（3）： 031905-1-4.

WANG K， LIU Y， WU C X， et al. Electroluminescence from μLED without external charge injection ［J］. Sci. Rep.， 2020， 10： 8059-1-8. doi: 10.1038/s41598-020-65092-zhttp://dx.doi.org/10.1038/s41598-020-65092-z

吴春晖，朱石超，付丙磊，等. 载流子分布对GaN基LED频率特性的影响［J］. 发光学报， 2017， 38（3）： 347-352.

WU C H， ZHU S C， FU B L， et al. Influence of carrier distribution on the frequency behavior for GaN-based LEDs ［J］. Chin. J. Lumin.， 2017， 38（3）： 347-352. （in Chinese）

杨悼波. GaN基微尺寸阵列LED芯片的制备［D］. 广州：华南理工大学， 2018.

YANG D B. Fabrication of GaN⁃based Micro⁃LED Arrays ［D］. Guangzhou： South China University of Technology， 2018. （in Chinese）

LI W H， WANG K， LI J L， et al. Working mechanisms of nanoscale light-emitting diodes operating in non-electrical contact and non-carrier injection mode： modeling and simulation ［J］. Nanomaterials， 2022， 12（6）： 912-1-14.

KOKUBO N， TSUNOOKA Y， FUJIE F， et al. Nondestructive visualization of threading dislocations in GaN by micro Raman mapping ［J］. Jpn. J. Appl. Phys.， 2019， 58（SC）： SCCB06-1-5.

ZHENG L L， GUO Z Q， YAN W， et al. Research on a camera-based microscopic imaging system to inspect the surface luminance of the micro-LED array ［J］. IEEE Access， 2018， 6： 51329-51336.

ZHANG K， PENG D， LAU K M， et al. Fully-integrated active matrix programmable UV and blue micro-LED display system-on-panel （SoP）［J］. J. Soc. Inf. Disp.， 2017， 25（4）： 240-248.

YAMAMOTO H， AGUI K， UCHIDA Y， et al. Evaluation of carrier concentration reduction in GaN-on-GaN wafers by Raman spectroscopy and Kelvin force microscopy ［J］. Jpn. J. Appl. Phys.， 2017， 56（8S1）： 08LB07-1-5.

BAGNALL K R， MOORE E A， BADESCU S C， et al. Simultaneous measurement of temperature， stress， and electric field in GaN HEMTs with micro-Raman spectroscopy ［J］. Rev. Sci. Instrum.， 2017， 88（11）： 113111-1-3.

CHO N H， JUNG U， KIM S， et al. Non-destructive inspection methods for LEDs using real-time displaying optical coherence tomography ［J］. Sensors， 2012， 12（8）： 10395-10406.

SHI S C， BAI W H， LIN C J， et al. Uniformity and stability of quantum dot pixels evaluated by microscale fluorescence spectroscopy ［J］. Laser Photonics Rev.， 2022， 16（8）： 2100699-1-8.

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