《Optics & Laser Technology》：Carrier dynamics through V-defects in long-wavelength InGaN LEDs and efficient defect region density recognition based on multilayer perceptron
编辑推荐：
InGaN红微LEDs中V缺陷的载流子动力学研究通过显微阴极荧光成像揭示，利用MLP框架关联CL特征与缺陷分布，实现像素级预测，平均偏差低于15%。
郑曦|赵国宝|戴玉荣|杨东凯|傅毅|黄涛|周明兵|卢一军|吴婷珠|郭伟杰|蔡端军|陈忠
中国厦门大学电子科学与工程学院电子科学系，集成电路产教融合国家创新平台，厦门361005
摘要
微发光二极管（micro-LEDs）凭借其微型化和可靠性优势，极大地推动了下一代显示技术的发展。InGaN红色micro-LED被视为超高清全彩微显示器的有希望的候选者，其尺寸可小于5微米，并具有优异的效率和稳定性。在这项研究中，通过显微阴极发光（CL）成像技术直接展示了在硅（111）衬底上生长的InGaN红色LED中V型缺陷的载流子动态。通过筛选位错并调节V型缺陷侧壁的载流子分布，可以局部提高复合效率。然而，对于长波长InGaN LED中V型缺陷区域的空间分布进行准确识别的可靠方法仍不完善，而这对于局部载流子注入调节至关重要。本研究采用多层感知器（MLP）训练的框架，将CL特征与缺陷区域的像素级预测相关联。这种机器学习策略有效弥补了传统分析方法的局限性，能够高效评估缺陷区域，平均预测偏差低于15%。
引言
氮化铟镓（InGaN）发光二极管（LED）已成为智能照明和下一代显示技术中的有前景的选择，特别是在近眼显示和可穿戴显示应用中[[1], [2]]。微显示器需要具备高动态范围（HDR）、高分辨率、高亮度和高效率[[3], [4]]。尽管蓝色和绿色InGaN micro-LED已经实现了高能效和可靠性[5]，但高效的红光子像素仍然亟需开发。然而，基于AlGaInP的micro-LED由于高表面复合速度和长载流子扩散长度的物理限制，在尺寸缩小时效率较低[6]。在各种候选材料中，长波长InGaN micro-LED（黄色、琥珀色和红色）有望满足全彩微显示器的严格要求[7]。然而，实现高效红色InGaN micro-LED仍然具有挑战性[8]；这种效率低下是由于多量子阱（MQWs）中的晶格失配和显著应变造成的，这些因素导致了缺陷形成、强内建电场以及电子和空穴波函数的分离，从而在低电流密度下产生Shockley–Read–Hall（SRH）非辐射复合效应，并在高电流密度下出现效率下降[9]。
在外延生长c-plane GaN到异质衬底上的关键问题包括 threading dislocations（TDs）的高密度和与缺陷相关的机制[10]。最近的研究表明，V型缺陷可以减轻非辐射复合、促进空穴注入并缓解应变[[11], [12], [13]]。特别是V型缺陷的侧壁，由于其较窄的低铟MQWs，可以形成更高的势垒，防止载流子被捕获到非辐射中心，从而减少载流子在阱间传输过程中的损失。这种对V型缺陷的调节早前已被报道为实现高效长波长InGaN LED的潜在方法[[14], [15]]。适当的V型缺陷密度有助于在减少TDs和优化长波长InGaN micro-LED的空穴注入路径长度之间取得平衡[[15], [16], [17]]。然而，由于大尺寸硅衬底上的外延生长条件（如温度、压力和前驱体流量比）的变化，晶圆上V型缺陷的空间分布可能不均匀且难以控制，导致MQWs内的载流子分布不均匀，进而影响micro-LED的发光均匀性和产量。
传统检测MQWs中缺陷区域的方法依赖于显微测量或有针对性的形态学表征，例如扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）或近场扫描光学显微镜（NSOM）。然而，这些方法可能耗时较长，并且经常难以在不同视场中匹配微结构的密度[18]。全面表征和控制外延层中V型缺陷的空间分布仍然具有挑战性。预计通过应用空间缺陷区域识别技术可以提高长波长InGaN micro-LED的发光效率和整体产量。高光谱显微CL能够同时获取具有纳米级横向分辨率的光学性质，包括光谱峰值位置、半高宽（FWHM）和积分强度，以高光谱数据立方体的形式提供，比地形学方法更直接地关联结构缺陷与发光性质，适用于将V型缺陷特征与局部发射相关联，并提取支持像素级缺陷区域识别的定量数据立方体[[19], [20], [21]]。在这项研究中，展示了V型缺陷的空间分布及其对载流子动态和复合过程的影响，突显了V型缺陷工程在增强载流子注入和优化红色InGaN LED效率方面的潜力。采用多层感知器（MLP）将V型缺陷的形态与从高光谱CL数据立方体中提取的光谱特征相关联，进行像素级回归，从而准确估计缺陷区域的空间密度。
实验部分
如图1(a)所示，异质外延结构是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在6英寸（111）取向的硅衬底上生长的。外延层结构包括AlN成核层、渐变AlGaN/GaN缓冲层、u-GaN和n掺杂的GaN层、5个周期的In0.12Ga0.88N/GaN超晶格层以及3个周期的In0.3Ga0.7N/AlGaN/GaN（3 nm/2.5 nm/12 nm）MQWs层。在进行CL测量时，在生长完最后一个势垒后终止了外延生长。
结果与讨论
图1(b)显示了生长出的外延层的晶圆上电致发光（EL）光谱。随着电流从2 mA增加到100 mA，峰值波长逐渐从623.8 nm蓝移至614.6 nm。同时，由于库仑屏蔽效应，在50 mA时FWHM首先缩小到51.2 nm，然后在100 mA时由于带填充效应略微扩大到51.5 nm[见图1(c-d)] [26]。图1(e-j)显示了具有不均匀性的外延层的二次电子（SE）形态图像
结论
总之，我们研究了长波长InGaN LED的局部发射特性和载流子动态，特别关注了高光谱CL数据与缺陷区域分布之间的相关性。长波长发射与V型缺陷的空间分布呈现出不均匀的反相关，主要是由于局部载流子注入增强而非复合效率提高，这突显了V型缺陷工程作为增强效率的有希望策略
CRediT作者贡献声明
郑曦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，项目管理，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。赵国宝：撰写 – 审稿与编辑，验证，软件，研究，正式分析，数据管理。戴玉荣：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法论，研究，数据管理。杨东凯：软件，方法论，正式分析，数据管理。傅毅：可视化，资源
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作部分得到了中国国家自然科学基金（Grant编号：62275227、62274138、11904302）的支持，部分得到了福建省科技项目（Grant编号：2023H4028、2023H6038）的支持，部分得到了福建省技术创新关键研究与产业化项目（Grant编号：2023G043）的支持，还得到了苏州集成电路先进封装基板技术创新联盟（Grant编号：LHT202329）的支持。
