<p>新闻：LED</p>
<p>改进红色 LED 的氮化镓图案化</p>
<p>中国合肥工业大学和南京大学报告了使用氮化镓（GaN）模板图案化作为增强高铟含量量子阱（QWs）中红光发射的手段 [Kun Xing et al, IEEE Transactions On Electron Devices,2025 年 11 月 18 日在线发表]。</p>
<p>研究人员发现，最佳模板区域是一个 300μm x 300μm 的正方形，在其上生长 LED 材料并形成器件。</p>
<p>团队报告称：“在最佳模板上制造的红色迷你 LED 在 1A/cm2 时表现出 634.0nm 的峰值发射波长，与在未图案化模板上生长的 LED 相比，峰值外部量子效率（EQE）提高了 57%。”</p>
<p>红色迷你 LED 和微型 LED 正在开发用于微型显示器和其他显示器。目前，标准红光发射半导体如铝铟镓磷（AlInGaP）和 InGaN 的效率都较低。小型铝铟镓磷在侧壁处的高表面复合速率导致效率降低。对于 InGaN，这个问题相对较小。相反，仍然存在高缺陷水平和其他问题，导致无法有效地掺入足够的铟以实现稳定的红光发射。</p>
<p>研究人员描述了模板尺寸对生长在其上的 GaN 材料的影响：“当周围材料被蚀刻掉后，外部晶格自由向边缘扩展时，晶格内的压应力得到缓解，诱导内部晶格结构的横向松弛。因此，图案化模板的大小预计会通过影响松弛程度来影响 GaN 层内的压应变。”</p>
<p>图案化是在图案化蓝宝石基板（PSS）上的 GaN 模板层中进行的，使用感应耦合等离子体（ICP）通过 SiO2 掩膜进行蚀刻（图 1）。图案间距为 20μm，蚀刻深度为 3μm。图案化以边长达 500μm 的正方形进行。</p>
<p><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://semiconductor-today.com/news_items/2025/dec/25114_hefei_f1.jpg?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" alt="" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://semiconductor-today.com/news_items/2025/dec/25114_hefei_f1.jpg"/></p>
<p><em>图 1：模板工艺示意图：（a）PSS 上的 GaN；（b）二氧化硅（SiO2）掩膜的沉积；（c）掩膜的感应耦合等离子体（ICP）蚀刻；（d）ICP 蚀刻以暴露 GaN；（e）外延未掺杂（u-）GaN 层；（f）外延 n-GaN 层。（g）在同一外延晶圆上制造的不同尺寸的 GaN 模板。（h）基于 InGaN 的红色迷你 LED 的完整结构。（i）红光发射量子阱（QW）结构。（j）横向松弛的 GaN 层的原子结构。</em></p>
<p>图案化模板用于金属有机外延红色 LED 结构，具有 30% 铟含量的三重 InGaN 量子阱。器件尺寸为 90μm x 150μm，采用氧化铟锡（ITO）电流扩散层制造。金属接触为铬/镍/金。</p>
<p>测试的 LED 来自晶圆的中央区域，以最小化晶圆边缘生长问题。LED 本身是在每个 GaN 块的中心附近制造的，远离蚀刻边界。此外，参考器件（LED E）是在同一外延炉中处理的未图案化模板材料上制造的。</p>
<p>对 X 射线测量的倒易空间映射分析显示，较小的模板尺寸促进了横向应变松弛。螺旋和边缘位错密度是根据 X 射线摇摆曲线行为估算的。螺旋位错的密度比边缘缺陷低一个数量级。</p>
<p>在边长为 200μm（LED D）的最小模板正方形区域中发现的最低螺旋位错密度为 1.63x107/cm2。边缘缺陷在稍大一些的 300μm 正方形（LED C）中最低：3.06x108/cm2。研究人员可能将最小图案化模板区域边缘缺陷的增加归因于 “在蚀刻过程中侧壁缺陷的出现，这为边缘位错的生成和传播创造了路径。”</p>
<p><em>表 1：峰值波长蓝移及 10A/cm2 注入时的值。</em></p>
<table>
<thead>
<tr>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>LED</td>
<td>A</td>
<td>B</td>
<td>C</td>
<td>D</td>
<td>E</td>
</tr>
<tr>
<td>模板</td>
<td>500μm</td>
<td>400μm</td>
<td>300μm</td>
<td>200μm</td>
<td>N/A</td>
</tr>
<tr>
<td>蓝移 0.1–10A/cm2</td>
<td>45nm</td>
<td>44nm</td>
<td>40nm</td>
<td>38nm</td>
<td>60nm</td>
</tr>
<tr>
<td>峰值波长 10A/cm2</td>
<td>610.3nm</td>
<td>610.4nm</td>
<td>613.6nm</td>
<td>618.8nm</td>
<td></td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>电致发光（EL）研究表明，随着电流注入的增加，光谱的蓝移减少（表 1）。在较小尺寸模板上的 LED 中，蓝移也有所减小。这种蓝移效应通常归因于量子限制斯塔克效应（QCSE），其中晶格应变和不同材料的电荷极化导致量子阱中的电场，抑制电子和空穴的辐射复合，降低光输出，特别是在长波长器件中。</p>
<p><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://semiconductor-today.com/news_items/2025/dec/25114_hefei_f2.jpg?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" alt="" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://semiconductor-today.com/news_items/2025/dec/25114_hefei_f2.jpg"/></p>
<p><em>图 2：在 GaN 模板 A–E 上生长的原型红色 InGaN 基迷你 LED 的电流密度依赖性。（a）峰值波长。（b）相对光强度。（c）归一化的 EQE。（d）LED A–E 的电流–电压曲线。</em></p>
<p>研究人员认为，随着模板尺寸的减小，增强的松弛增加了量子阱中铟的掺入，使得 LED D 在更高电流注入下保持更长的峰值波长（图 2）。</p>
<p>就发射强度而言，LED C 提供了更好的性能。研究人员认为 LED D 的退化是由于 “晶体质量下降，较高的铟比例通常导致缺陷密度增加（例如，形成以缓解应变的 V 缺陷或位错）”。</p>
<p>LED C 的外部量子效率（EQE）表现优于其他 LED。参考 LED E 的 EQE 峰值较低，但下降缓慢，在 10A/cm2 时几乎与 LED C 的 EQE 相匹配。</p>
<p>团队评论道：“我们将 LED E 的小衰减归因于其相对于有图案的 LED 更高的位错和非辐射复合中心的密度（由于缺乏应变释放图案），这导致即使在低和中等电流下也会发生强烈的 SRH 复合。因此，LED E 的外量子效率在低注入水平下已经受到缺陷相关的 SRH 复合的抑制。随着电流密度的增加，SRH 复合在高电流下变得饱和，剩余的效率衰减则主要由 Auger 复合和泄漏机制主导，这在所有 LED 中都是常见的。”</p>
<p>红色 LED GaN InGaN AlInGaP</p>
<p>https://doi.org/10.1109/TED.2025.3630618</p>
<p><em>作者 Mike Cooke 是一位自由职业的科技记者，自 1997 年以来一直在半导体和先进技术领域工作。</em></p>

旭明光电

<p>合肥工业大学和南京大学的研究人员通过使用氮化镓（GaN）模板图案化增强了 LED 中的红光发射。研究发现，最佳模板尺寸为 300μm x 300μm，外部量子效率提高了 57%。这一进展解决了红色迷你 LED 和微型 LED 的效率问题，这对微型显示器至关重要。研究强调了模板尺寸对晶格应变和铟掺入的影响，较小的模板减少了蓝移效应并提升了性能</p>

<p>News: LEDs</p>
<div class="lb-trans"><p>新闻：LED</p>
</div><p>Patterning GaN for improved red LEDs</p>
<div class="lb-trans"><p>改进红色 LED 的氮化镓图案化</p>
</div><p>Hefei University of Technology and Nanjing University in China have reported on the use of gallium nitride (GaN) template patterning as a means to enhance red light emission from high-indium-content quantum wells (QWs) in light-emitting diodes (LEDs) [Kun Xing et al, IEEE Transactions On Electron Devices, published online 18 November 2025].</p>
<div class="lb-trans"><p>中国合肥工业大学和南京大学报告了使用氮化镓（GaN）模板图案化作为增强高铟含量量子阱（QWs）中红光发射的手段 [Kun Xing et al, IEEE Transactions On Electron Devices,2025 年 11 月 18 日在线发表]。</p>
</div><p>The researchers found that the optimal template region was a 300μm x 300μm square on which the LED material was grown and then formed into devices.</p>
<div class="lb-trans"><p>研究人员发现，最佳模板区域是一个 300μm x 300μm 的正方形，在其上生长 LED 材料并形成器件。</p>
</div><p>The team reports: “A red mini-LED fabricated on the optimal template exhibited a peak emission wavelength of 634.0nm at 1A/cm2, with the peak EQE [external quantum efficiency] enhanced by 57% compared to the LED grown on the unpatterned template.”</p>
<div class="lb-trans"><p>团队报告称：“在最佳模板上制造的红色迷你 LED 在 1A/cm2 时表现出 634.0nm 的峰值发射波长，与在未图案化模板上生长的 LED 相比，峰值外部量子效率（EQE）提高了 57%。”</p>
</div><p>Red mini-LEDs and micro-LEDs are being developed for micro-displays and other displays. At present the efficiencies are low, both for standard red-emitting semiconductors such as aluminium indium gallium phosphide (AlInGaP), and InGaN. AlInGaP in small form factors suffers from high surface recombination rates at sidewalls, killing efficiency. For InGaN, this has been found to be much less of a problem. Rather, it is still the high defect levels and other problems of incorporating sufficient indium to enable stable red light emission.</p>
<div class="lb-trans"><p>红色迷你 LED 和微型 LED 正在开发用于微型显示器和其他显示器。目前，标准红光发射半导体如铝铟镓磷（AlInGaP）和 InGaN 的效率都较低。小型铝铟镓磷在侧壁处的高表面复合速率导致效率降低。对于 InGaN，这个问题相对较小。相反，仍然存在高缺陷水平和其他问题，导致无法有效地掺入足够的铟以实现稳定的红光发射。</p>
</div><p>The researchers describe the effect of the template size on the GaN material grown on top: “The compressive stress within the lattice is relieved when the external lattice expands freely toward the periphery after the material surrounding the template has been etched away, inducing lateral relaxation of the internal lattice structure. Hence, the size of the patterned template is expected to influence the compressive strain within the GaN layer by affecting the degree of relaxation.”</p>
<div class="lb-trans"><p>研究人员描述了模板尺寸对生长在其上的 GaN 材料的影响：“当周围材料被蚀刻掉后，外部晶格自由向边缘扩展时，晶格内的压应力得到缓解，诱导内部晶格结构的横向松弛。因此，图案化模板的大小预计会通过影响松弛程度来影响 GaN 层内的压应变。”</p>
</div><p>The patterning was carried out in a GaN template layer on patterned sapphire substrates (PSS), using inductively coupled plasma (ICP) etch through a SiO2 mask (Figure 1). The pattern pitch was 20μm at an etch depth of 3μm. The patterning was performed in squares up to 500μm on a side.</p>
<div class="lb-trans"><p>图案化是在图案化蓝宝石基板（PSS）上的 GaN 模板层中进行的，使用感应耦合等离子体（ICP）通过 SiO2 掩膜进行蚀刻（图 1）。图案间距为 20μm，蚀刻深度为 3μm。图案化以边长达 500μm 的正方形进行。</p>
</div><p><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://semiconductor-today.com/news_items/2025/dec/25114_hefei_f1.jpg" alt="" original-src="https://semiconductor-today.com/news_items/2025/dec/25114_hefei_f1.jpg"/></p>
<p><em>Figure 1: Template process scheme: (a) GaN on PSS; (b) deposition of silicon dioxide (SiO2) mask; (c) inductively coupled plasma (ICP) etching of mask; (d) ICP etching to expose GaN; (e) epitaxial undoped (u-) GaN layer; (f) epitaxial n-GaN layer. (g) Different dimensioned GaN templates fabricated on same epitaxial wafer. (h) Full structure of InGaN-based red mini-LED. (i) Red-emitting quantum well (QW) structure. (j) Atomic structure of laterally relaxed GaN layer.</em></p>
<div class="lb-trans"><p><em>图 1：模板工艺示意图：（a）PSS 上的 GaN；（b）二氧化硅（SiO2）掩膜的沉积；（c）掩膜的感应耦合等离子体（ICP）蚀刻；（d）ICP 蚀刻以暴露 GaN；（e）外延未掺杂（u-）GaN 层；（f）外延 n-GaN 层。（g）在同一外延晶圆上制造的不同尺寸的 GaN 模板。（h）基于 InGaN 的红色迷你 LED 的完整结构。（i）红光发射量子阱（QW）结构。（j）横向松弛的 GaN 层的原子结构。</em></p>
</div><p>The patterned template was used for metal-organic epitaxy of red LED structure with triple InGaN QWs with 30% indium content. Devices, 90μmx150μm, were fabricated with an indium tin oxide (ITO) current-spreading layer. The metal contacts were chromium/nickel/gold.</p>
<div class="lb-trans"><p>图案化模板用于金属有机外延红色 LED 结构，具有 30% 铟含量的三重 InGaN 量子阱。器件尺寸为 90μm x 150μm，采用氧化铟锡（ITO）电流扩散层制造。金属接触为铬/镍/金。</p>
</div><p>The tested LEDs were from the central region of the wafer to minimize wafer-edge growth issues. The LEDs themselves were fabricated near the center of each GaN tile, well away from etched boundaries. Also, reference devices (LED E) were fabricated on material on an unpatterned template processed in the same epitaxy furnace.</p>
<div class="lb-trans"><p>测试的 LED 来自晶圆的中央区域，以最小化晶圆边缘生长问题。LED 本身是在每个 GaN 块的中心附近制造的，远离蚀刻边界。此外，参考器件（LED E）是在同一外延炉中处理的未图案化模板材料上制造的。</p>
</div><p>Reciprocal space mapping analysis of x-ray measurements showed that smaller template sizes encouraged lateral strain relaxation. Screw and edge dislocation densities were estimated from x-ray rocking curve behaviors. The screw dislocations were an order of magnitude lower than that for edge defects.</p>
<div class="lb-trans"><p>对 X 射线测量的倒易空间映射分析显示，较小的模板尺寸促进了横向应变松弛。螺旋和边缘位错密度是根据 X 射线摇摆曲线行为估算的。螺旋位错的密度比边缘缺陷低一个数量级。</p>
</div><p>The lowest screw dislocation density of 1.63x107/cm2 was found for the smallest template square region of side 200μm (LED D). The edge defects were lowest for the slightly larger 300μm squares of LED C: 3.06x108/cm2. The researchers potentially attribute the increase in edge defects for the smallest patterned template region “to the emergence of sidewall defects during the etching process, which created pathways for the generation and propagation of edge dislocations.”</p>
<div class="lb-trans"><p>在边长为 200μm（LED D）的最小模板正方形区域中发现的最低螺旋位错密度为 1.63x107/cm2。边缘缺陷在稍大一些的 300μm 正方形（LED C）中最低：3.06x108/cm2。研究人员可能将最小图案化模板区域边缘缺陷的增加归因于 “在蚀刻过程中侧壁缺陷的出现，这为边缘位错的生成和传播创造了路径。”</p>
</div><p><em>Table 1: Peak wavelength blue-shift and value at 10A/cm2 injection.</em></p>
<div class="lb-trans"><p><em>表 1：峰值波长蓝移及 10A/cm2 注入时的值。</em></p>
</div><table>
<thead>
<tr>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>LED</td>
<td>A</td>
<td>B</td>
<td>C</td>
<td>D</td>
<td>E</td>
</tr>
<tr>
<td>Template</td>
<td>500μm</td>
<td>400μm</td>
<td>300μm</td>
<td>200μm</td>
<td>N/A</td>
</tr>
<tr>
<td>Blue-shift 0.1–10A/cm2</td>
<td>45nm</td>
<td>44nm</td>
<td>40nm</td>
<td>38nm</td>
<td>60nm</td>
</tr>
<tr>
<td>Peak wavelength 10A/cm2</td>
<td>610.3nm</td>
<td>610.4nm</td>
<td>613.6nm</td>
<td>618.8nm</td>
<td></td>
</tr>
</tbody>
</table>
<div class="lb-trans"><table>
<thead>
<tr>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
<th></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>LED</td>
<td>A</td>
<td>B</td>
<td>C</td>
<td>D</td>
<td>E</td>
</tr>
<tr>
<td>模板</td>
<td>500μm</td>
<td>400μm</td>
<td>300μm</td>
<td>200μm</td>
<td>N/A</td>
</tr>
<tr>
<td>蓝移 0.1–10A/cm2</td>
<td>45nm</td>
<td>44nm</td>
<td>40nm</td>
<td>38nm</td>
<td>60nm</td>
</tr>
<tr>
<td>峰值波长 10A/cm2</td>
<td>610.3nm</td>
<td>610.4nm</td>
<td>613.6nm</td>
<td>618.8nm</td>
<td></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</div><p>Electroluminescence (EL) studies showed reduced blue-shift of the spectrum with increased current injection (Table 1). The blue-shift was also lessened in the LEDs on reduced size templates. Such blue-shift effects are typically attributed to quantum-confined Stark effects (QCSEs) where lattice strain and charge polarization of the different materials lead to electric fields across the QWs that tend to discourage radiative recombination of electrons and holes, reducing light output, particularly in longer-wavelength devices.</p>
<div class="lb-trans"><p>电致发光（EL）研究表明，随着电流注入的增加，光谱的蓝移减少（表 1）。在较小尺寸模板上的 LED 中，蓝移也有所减小。这种蓝移效应通常归因于量子限制斯塔克效应（QCSE），其中晶格应变和不同材料的电荷极化导致量子阱中的电场，抑制电子和空穴的辐射复合，降低光输出，特别是在长波长器件中。</p>
</div><p><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://semiconductor-today.com/news_items/2025/dec/25114_hefei_f2.jpg" alt="" original-src="https://semiconductor-today.com/news_items/2025/dec/25114_hefei_f2.jpg"/></p>
<p><em>Figure 2: Current density dependences of prototype red InGaN-based mini-LEDs grown on GaN templates A–E. (a) Peak wavelength. (b) Relative luminous intensity. (c) Normalized EQE. (d) Current–voltage curves of LEDs A–E.</em></p>
<div class="lb-trans"><p><em>图 2：在 GaN 模板 A–E 上生长的原型红色 InGaN 基迷你 LED 的电流密度依赖性。（a）峰值波长。（b）相对光强度。（c）归一化的 EQE。（d）LED A–E 的电流–电压曲线。</em></p>
</div><p>The researchers believe that the enhanced relaxation that comes with a reduced template size increased indium incorporation in the QWs, allowing LED D to maintain a longer peak wavelength at higher current injection (Figure 2).</p>
<div class="lb-trans"><p>研究人员认为，随着模板尺寸的减小，增强的松弛增加了量子阱中铟的掺入，使得 LED D 在更高电流注入下保持更长的峰值波长（图 2）。</p>
</div><p>In terms of emission intensity, LED C provides better performance. The researchers suggest that the degradation of LED D was the result of “degraded crystal quality, with a higher indium fraction typically leading to an increased defect density (e.g. V-defects or dislocations that form to relieve strain)”.</p>
<div class="lb-trans"><p>就发射强度而言，LED C 提供了更好的性能。研究人员认为 LED D 的退化是由于 “晶体质量下降，较高的铟比例通常导致缺陷密度增加（例如，形成以缓解应变的 V 缺陷或位错）”。</p>
</div><p>The external quantum efficiency (EQE) performance of LED C maintained an edge over the others. The reference LED E had a low EQE peak, but only slowly declined, almost matching the EQE of LED C at 10A/cm2.</p>
<div class="lb-trans"><p>LED C 的外部量子效率（EQE）表现优于其他 LED。参考 LED E 的 EQE 峰值较低，但下降缓慢，在 10A/cm2 时几乎与 LED C 的 EQE 相匹配。</p>
</div><p>The team comments: “We attribute LED E’s small droop to its higher density of dislocations and non-radiative recombination centers (due to the lack of strain-relief patterning) relative to the patterned LEDs, which leads to strong SRH recombination even at low and moderate currents. As a result, LED E’s EQE is already suppressed at low injection levels by defect-related SRH recombination. As the current density increases, SRH recombination becomes saturated at high currents, and the remaining efficiency droop is dominated by Auger recombination and leakage mechanisms, which are common to all LEDs.”</p>
<div class="lb-trans"><p>团队评论道：“我们将 LED E 的小衰减归因于其相对于有图案的 LED 更高的位错和非辐射复合中心的密度（由于缺乏应变释放图案），这导致即使在低和中等电流下也会发生强烈的 SRH 复合。因此，LED E 的外量子效率在低注入水平下已经受到缺陷相关的 SRH 复合的抑制。随着电流密度的增加，SRH 复合在高电流下变得饱和，剩余的效率衰减则主要由 Auger 复合和泄漏机制主导，这在所有 LED 中都是常见的。”</p>
</div><p>Red LEDs GaN InGaN AlInGaP</p>
<div class="lb-trans"><p>红色 LED GaN InGaN AlInGaP</p>
</div><p>https://doi.org/10.1109/TED.2025.3630618</p>
<div class="lb-trans"><p>https://doi.org/10.1109/TED.2025.3630618</p>
</div><p><em>The author Mike Cooke is a freelance technology journalist who has worked in the semiconductor and advanced technology sectors since 1997.</em></p>
<div class="lb-trans"><p><em>作者 Mike Cooke 是一位自由职业的科技记者，自 1997 年以来一直在半导体和先进技术领域工作。</em></p>
</div>

通过图案化氮化镓来提升红色 LED 的性能