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
- 收稿：2022-07-09，
  
  修回：2022-08-01，
  
  纸质出版：2022-12-05
- 稿件说明：
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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

Keywords

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.1c00248 http://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.2021-0032 http://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.2021-0032 http://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.20181104.0684 http://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.20181104.0684 http://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.20182604.0998 http://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.20182604.0998 http://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: 10.1063/1.3615679 http://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.69.20200742 http://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.69.20200742 http://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: 10.1088/0022-3727/49/28/285109 http://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.2016.05.166 http://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.2022-0068 http://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.2022-0068 http://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 （20 http://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= 3.17498779 3.17599487 ）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.2021.107044 http://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 （20 http://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= 3.17498779 3.17599487 ） 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-z http://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 ）： SCC B06 - 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 ）： 08L B07- 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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