샤먼 대학교 연구팀은 육각형 메사 구조를 사용하여 인듐갈륨질화물(InGaN) 마이크로그린 발광 다이오드(주도의)의 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 실험적으로 입증했습니다. 광학 표현하다, 33권, 42747페이지, 2025년에 발표된 이 연구는 마이크로LED 메사의 기하학적 구조를 최적화하여 전류 균일성 문제를 해결하고 광전자 효율을 향상시키는 방법을 자세히 설명합니다. 이는 차세대 디스플레이 및 통신 기술에 매우 중요합니다. "mesa"는 마이크로LED에서 발광 표면(레)을 형성하는 돌출된 부분을 의미하며, 이는 발광의 핵심 구성 요소입니다.
1. 연구 설계: 세 가지 메사 구조의 비교 및 육각형 구조의 장점
본 연구에서는 원형, 정사각형, 육각형의 세 가지 메사 구조를 비교했습니다. 모든 구조는 패턴화된 사파이어 기판 위에 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD)을 사용하여 성장된 인듐갈륨질화물/갈륨질화물(InGaN/갈륨 질화물) 다층 재료로 제작되었습니다.
6개의 꼭짓점이 고르게 분포된 육각형 메사는 세 가지 핵심 최적화를 달성합니다.
* 중앙 p 전극과 메사 가장자리 사이의 최대 거리를 줄여 활성 영역 내 전류 확산의 균일성을 향상시킵니다.
* 이는 일반적으로 정사각형 메사에서 발견되는 코너 전류 축적 문제를 완화하여 성능 저하로 이어지는 저전류 밀도 영역을 줄입니다.
* 균형 잡힌 둘레 대 전극 면적(P/A) 비율을 가지고 있어 기생 재결합을 억제하는 동시에 캐리어 주입 효율을 최적화합니다.
2. 응용 가치: 소형 녹색 LED의 핵심 시나리오 및 기술적 중요성
인간 눈의 최대 감도 범위 내에서 작동하는 소형 녹색 LED는 고충실도 컬러 디스플레이, 증강 현실/가상 현실(AR/가상현실) 시스템, 광선 요법, 가시광선 통신과 같은 분야에서 핵심 장치입니다.
본 연구의 핵심 가치는 미세 구조적 기하 최적화를 통해 재료 조성을 변화시키지 않고도 정량적인 성능 향상을 달성할 수 있음을 보여주는 데 있습니다. 우수한 전류 확산 성능, 낮은 비복사 손실, 그리고 높은 외부 양자 효율(이큐이)을 갖춘 육각형 메사는 고효율 마이크로 디스플레이 및 통신용 LED를 위한 매우 유망한 구조적 솔루션으로 자리 잡았으며, 소형화, 고휘도, 장수명 광소자를 지향하는 업계의 추세에 완벽하게 부합합니다.
3. 실험 데이터: 육각형 구조의 성능 이점 정량화
전기적 성능 테스트에서 세 가지 구조 소자의 턴온 전압은 약 3.3V로 일정하게 유지되었지만 높은 바이어스 전압에서는 상당한 차이가 관찰되었습니다.
10V의 바이어스 전압에서 육각형 LED의 전류 밀도는 285.8A/센티미터²에 도달하여 정사각형(199.9A/센티미터²)과 원형(164.7A/센티미터²) 메사의 전류 밀도를 훨씬 넘어섰습니다. 이 데이터는 최적화된 전류 확산 효과가 캐리어 주입 효율을 직접적으로 향상시킨다는 것을 보여줍니다.
전류가 증가함에 따라 육각형 LED의 방출 파장은 2.9nm의 상당한 청색 이동을 보이는데, 이는 더 균일한 캐리어 분포가 양자 구속 효과를 감소시킨다는 것을 의미합니다.
광학 성능 테스트에서 육각형 구조의 장점은 더욱 분명해졌습니다.
200 A/센티미터²의 주입 전류 밀도에서 육각형 마이크로 LED의 출력 전력 밀도는 4.94 W/센티미터²에 도달하여 원형(3.86 W/센티미터²) 및 정사각형(3.14 W/센티미터²) 구조의 출력 전력 밀도를 넘어섰습니다.
외부 양자 효율(이큐이)은 10.41 A/센티미터²의 전류 밀도에서 19.9%로 최고치를 기록했으며, 이는 원형(16.9%) 및 정사각형(17.6%) 소자보다 우수했습니다.
전류에 따른 효율 저하의 주요 지표로서 육각형 구조의 이큐이 감소율은 48.2%에 불과하여 원형(52.4%)과 정사각형(56.1%) 구조보다 낮아 열 평형과 전자-정공 재결합 평형 측면에서 우수한 성능을 보였습니다.
