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本期小薇带您进入我司研发团队与用户一起发表的文献与应用第二辑：MicroLED中载流子寿命随光激发功率密度的变化。

本文由苏州惟光探真科技有限公司总经理刘争晖的学生中国科技大学王双兰作为第一作者，与复旦大学田朋飞教授合力完成，研发团队其他成员徐耿钊博士，张春玉等亦有参与和协助。目前在必创科技投资与创新中心担任副总经理的董磊担任其企业导师。

本篇文章的题目是Variation of carrier lifetime with optical excitation power density in Micro-LEDs，发表在Optics EXPRESS，2024年7月12号接收。

GaN基Micro-LED因其高调制带宽和小尺寸芯片而被应用于可见光通信。这需要深入理解复合过程及其对带宽的影响，而带宽主要由载流子寿命决定。我们采用共焦时间分辨光致发光（TRPL）技术，表征了微型LED中载流子寿命随光激发功率密度的变化。在芯片尺寸为80微米的蓝色Micro-LED上，我们观察到在96.7 kW/cm²至546 kW/cm²的功率密度范围内，载流子寿命先增加后突然下降。我们将这一现象归因于光激发功率的增加逐渐饱和了以缺陷为主的非辐射复合中心，使辐射复合过程逐渐占据主导。通过比较样品不同区域、不同尺寸及侧壁结构的拐点功率密度，我们发现样品中心的寿命拐点功率密度低于边缘。此外，芯片尺寸为40微米的样品拐点功率密度更小，表明总缺陷更少。倾斜侧壁结构的样品比垂直侧壁的样品拐点功率密度更低。我们还发现，发光效率最高的功率密度高于寿命初始突降对应的功率密度。这为在两个拐点之间同时实现高调制带宽和高效率提供了可能。

为实现更高带宽，需缩短载流子寿命\[8-10\]。因此，Micro-LED需在更高电流密度下工作，但这可能导致量子效率下降，成为限制其广泛应用的重要因素。为解决这一问题，研究功率密度变化对载流子寿命和效率的影响至关重要。

通常采用电注入方法研究功率密度对载流子寿命的影响。研究表明，电流密度增加时，载流子寿命缩短，调制带宽增大。然而，当电流密度增至某阈值时，外量子效率（EQE）下降，这种现象称为“效率衰减”。效率衰减的机制尚未完全明确，但通常与俄歇复合、量子限制斯塔克效应、载流子泄漏及器件侧壁缺陷有关。此外，电注入可能引入载流子注入效应，导致电流扩散不均和漏电流等问题。

在Micro-LED中，缺陷主导的非辐射复合中心主要包括两类：活性区内部的缺陷（电子-空穴对通过带隙内的陷阱能级复合）和ICP刻蚀侧壁导致的氮空位缺陷。两类缺陷均会加剧非辐射复合，缩短载流子寿命并降低发光效率。因此，本研究重点探究缺陷诱导的非辐射复合及其与辐射复合的竞争对载流子寿命和效率的影响。

本研究采用时间分辨光致发光（TRPL）技术结合光激发，避免了电激发相关的载流子注入效应和漏电流问题。光激发还提供空间分辨率，便于直观研究载流子寿命变化的微观机制。在相同功率密度范围内，我们表征了样品不同区域、不同尺寸及侧壁结构的载流子寿命变化。在96.7 kW/cm²至681 kW/cm²范围内，载流子寿命随功率密度增加先上升后突降。这一现象可通过辐射复合与缺陷主导的非辐射复合的竞争解释。例如，芯片中心的寿命拐点功率密度低于边缘，归因于边缘缺陷密度更高。

随着器件尺寸减小，侧壁面积占比增加，刻蚀损伤导致的缺陷比例上升，非辐射复合增强，发光效率下降。但比较40微米与80微米芯片的寿命时，发现小尺寸LED需要更低功率密度即可饱和非辐射复合。此过程与侧壁面积比无关，而与器件总缺陷数量相关。这些发现为器件尺寸选择和制备工艺提供了指导。

文章中的结果展示了FLIM系统扫描样品台的TRPL示意图。TRPL测量中采用波长为405 nm的脉冲激光，脉冲频率为2 MHz。入射光路中放置透射率从10⁻⁶至0.5的不同中性密度滤光片以调节激发功率。在本套共聚焦系统中，准直激发激光束通过高数值孔径物镜聚焦，因此无需传统针孔。光致发光（PL）信号由100微米数值孔径的光纤接收，作为共焦针孔连接至光电倍增管（PMT）。入射光垂直聚焦，PL信号通过光纤由PMT收集。该系统中，直径100微米的光纤端口充当空间滤波针孔。

对于激光光斑直径，我们在垂直侧壁样品P80上进行PL Mapping实验。在样品侧壁边缘以0.1微米步长采集200个点的PL强度剖面，强度阶跃宽度反映聚焦光斑尺寸。通过多功率数据拟合及误差分析，得到光斑直径约为2.1±0.3微米，面积约3.5微米²。发射光路中放置透射率为10⁻¹或10⁻²的中性密度滤光片以防止PMT饱和。

TRPL光谱通过时间相关单光子计数（TCSPC）系统测量。载流子寿命涉及缺陷主导的非辐射复合、辐射复合和俄歇复合等多重机制，对应不同寿命分量。本研究采用单指数函数拟合TRPL光谱的载流子寿命，该方法广泛用于反映多过程的平均寿命。

图1. 实验架构图与样品说明

图2. 测试数据

为探究Micro-LED在高电流密度下效率与性能下降的关键因素，我们研究了样品S80的载流子寿命与光激发功率的关系（图2(b)）。我们对整个Micro-LED进行步长2微米的TRPL Mapping实验，对S80的A0区域（图2(a)）内多个相邻位置（≥6像素）的寿命值取平均并进行误差分析。图2(b)插图为拐点B0处的TRPL衰减曲线。

图2(a)显示，在96.7 kW/cm²的功率密度下，载流子寿命图呈现随机分布。我们认为这与铟含量的不均匀性有关。文献指出，铟含量增加会提高ABC模型中的俄歇复合系数，从而影响载流子寿命。先前研究在PL实验中观察到双发射峰（图2(b)），第二峰可能与铟含量不均匀有关。我们对S80进行PL实验，发现随机分布与铟含量不均匀相关。

图2(b)显示，在96.7-546 kW/cm²范围内，载流子寿命随功率密度增加先升后降，在B0点（约166 kW/cm²）出现突降。类似地，Younes等人发现Micro-LED寿命从中心到侧壁逐渐缩短，归因于非辐射缺陷减少，与本实验结果一致，证实了缺陷主导非辐射复合的初始主导地位。

通常，表面和侧壁边缘存在大量缺陷态。低功率密度下，缺陷主导的非辐射复合主要发生在侧壁边缘和表面位置。为验证低功率密度下寿命变化是否与两种复合过程的竞争有关，我们研究了不同区域、不同尺寸及侧壁结构样品的寿命变化。

图3(a)显示，S80边缘区域的寿命在96.7-681 kW/cm²范围内突降对应的功率密度高于中心区域（A0）。这表明边缘缺陷态更多，需更高功率密度才能饱和。随后，我们表征了40微米芯片样品S40中心区域的寿命变化（图3(b)）。与S80相比，S40中心区域的寿命突降发生在更低功率密度。补充图S1显示其他尺寸样品的拐点功率密度变化趋势与S40和S80一致，表明拐点功率密度与样品尺寸正相关。随着器件尺寸减小，侧壁面积占比增加，但实验表明小尺寸LED需要更低功率密度即可饱和非辐射复合。因此，拐点偏移由缺陷总数决定，而非侧壁面积比，这对器件尺寸选择和制备工艺具有指导意义。

最后，我们表征了垂直侧壁样品P80中心区域的寿命（图3(c)）。通常，倾斜侧壁样品的缺陷多于垂直侧壁样品，但实验结果显示相反：P80的寿命突降需更高功率密度。这可能与制造工艺导致的侧壁结构差异有关，需进一步验证。

通过公式(3)计算样品的相对效率（图3(d)-(f)）。图3(d)显示，S80中心和边缘区域的效率均呈现突降趋势，与高电流密度下的EQE突降一致。在96.7-166 kW/cm²范围内，S80中心的寿命增加伴随效率上升；当功率密度超过227 kW/cm²时，俄歇复合导致效率下降。效率拐点（227 kW/cm²）高于寿命拐点（166 kW/cm²），表明在两者间的功率密度区间可同时实现高效率和带宽。

S40的效率拐点（166 kW/cm²）低于S80（图3(e)），因其尺寸更小、缺陷更少。垂直侧壁样品P80的效率曲线呈现双拐点（图3(f)），可能与侧壁缺陷需更高功率饱和有关。

图3. 不同功率密度下的测试

本研究采用共焦TRPL技术表征了Micro-LED中载流子寿命随光激发功率密度的变化。在80微米蓝色Micro-LED中，载流子寿命在96.7-546 kW/cm²范围内先增后降，归因于光激发功率逐渐饱和缺陷主导的非辐射复合中心，使辐射复合占据主导。

通过比较不同区域、尺寸及侧壁结构的拐点功率密度，发现中心区域的拐点低于边缘，小尺寸（40微米）样品的拐点更低（总缺陷更少），倾斜侧壁样品的拐点低于垂直侧壁。此外，发光效率的拐点功率密度高于寿命突降的拐点，为同时实现高效率和带宽提供了可能。

本套系统，采用了我司与合作伙伴联合开发的FLIM系统（我司主要提供相关软件），并且在此系统上，进行了进一步的相关升级改造，除了激发功率上的自动衰减片设计，还加入了接受光路的衰减来避免探测器饱和，与本司的SF900荧光法半导体晶圆少子寿命与缺陷测量系统相呼应，同时也采用了Visualspectra分析软件进行了数据分析。

本公司的稳态与瞬态荧光测试系统，可以针对于显微样品一直到12寸晶圆和大尺寸样品进行测试，如果加载本公司最新开发的100Hz自动对焦显微镜，则可以对不平整样品进行快速测试，不但可以为科研客户提供服务和支持，更可以为工业用户提供更多的非接触测量手段。

同时，本系统也可以很容易升级到SR900 Raman光谱功能，进行诸如应力，载流子浓度，晶化率等相关测试。

本文章的下载地址为：https://doi.org/10.1364/OE.531860

最后欢迎诸多的MicroLED与半导体从业者，稳态与瞬态荧光测试相关人员等与我司进行交流讨论，我司不但可以给出测试数据，更可以针对性进行解读哦。