3D空穴注入的微观洞察

在硅基长波长InGaN micro-LED中，空穴是如何到达有源区的？空间分辨高光谱成像和时间分辨光致发光揭示了V型坑微结构如何在微观尺度上重塑载流子注入路径。

关键亮点

·  空间分辨高光谱成像揭示了与红色InGaN量子阱中V型坑微结构相关的强局域发射区域。

·  时间分辨光致发光通过独特的衰减分量区分亮区和暗区，为空间重新分布的空穴注入提供了直接证据。

·  沿半极性V型坑侧壁的电场重新分布实现了空穴向平面量子阱的三维输运。

·  在微观尺度上测量的局部载流子动力学与器件水平的外部量子效率和热稳定性直接相关。

·  共聚焦显微镜与基于TCSPC的寿命光谱相结合对于解析微型LED研究中的注入路径至关重要。

为何红色InGaN Micro-LED仍受限于效率

长波长InGaN发射器有望在硅上实现单片RGB集成。然而，实现高效红光发射仍然很困难。高铟组分增加了应变，促进了缺陷形成，并使多量子阱内的载流子输运复杂化。特别是，空穴注入不足和增强的Shockley-Read-Hall复合限制了红色micro-LED的外部量子效率。

Zheng 等人，PhotoniX (2025)，研究了V型坑微结构如何影响生长在硅衬底上的InGaN红色micro-LEDs中的载流子输运和复合。作者没有单纯将V型坑视为结构缺陷，而是结合空间分辨光谱和数值模拟，分析了它们在空穴注入中的功能作用。

300 K下外部量子效率随电流密度的变化关系。InGaN红光LED在低注入水平下达到11.78%的峰值EQE。插图显示了1和50 A/cm² 下的电致发光图像，突显了低电流密度下的局域发射。

V型坑微结构作为三维注入通道

六方V型坑是在高铟组分InGaN量子阱的生长过程中围绕threading dislocations（螺旋位错）形成的。它们通常被视为与非辐射复合相关的结构缺陷。

本研究展示了一个更为细致的图景。V型坑不仅仅是作为复合中心，它们还可以改变局部电场分布，并沿其半极性侧壁产生三维电流通道。V型坑内部的倾斜量子阱在厚度和组分上与平面量子阱不同，这改变了能带结构和载流子输运。

要了解这些微结构是降低还是增强性能，需要进行空间分辨和时间分辨的光学分析。

显微高光谱成像揭示空间受限发光

共聚焦显微光致发光（micro-PL）mapping揭示了红色InGaN多量子阱内离散的亮区和暗区发光区域。在低激发密度下，发光强烈局域化。随着激发的增加，空间对比度降低，但局部增强区域仍然可辨。

阴极发光和电致发光mapping证实，V型坑附近的发光在光谱和空间上都不同于周围的平面区域。这些观察结果表明，载流子限制和复合在有源区内并不是均匀的。

这种空间不均匀性无法通过面积积分光谱来捕捉。显微高光谱成像技术在实验上建立了结构特征与发光行为之间的联系。

InGaN红色多量子阱在最大激发功率的0.1%、1%和10%下的共聚焦光致发光强度mapping。在低激发密度下，局域的亮区和暗区发光区域清晰可辨，而空间对比度随着激发的增加而降低。扫描面积：6.8 µm×6.8 µm。

时间分辨光致发光区分亮区和暗区

时间分辨光致发光为局部载流子动力学提供了进一步的见解。亮区和暗区表现出独特的衰减分量和瞬态上升时间。

暗区中较短的衰减分量表明增强的非辐射复合或载流子转移过程。相比之下，亮区显示出较长的有效寿命，这与更高效的辐射复合一致。上升时间的差异表明，空穴从半极性侧壁传输到平面量子阱有助于观察到的发射模式。

这些寿命变化提供了实验证据，表明载流子注入被V型坑微结构在空间上重新分布。如果没有时间分辨光谱技术，这种注入路径将仍停留在推测阶段。

电场重新分布解释了局部空穴传输

数值模拟支持了实验发现。计算出的能带分布和电势分布表明，电场沿着V型坑的倾斜侧壁重新定向。这种重新分布使空穴能够从半极性量子阱漂移到相邻的平面量子阱中，形成两阶段注入路径。

仅靠模拟无法确立功能相关性。它们与空间分辨寿命和发射数据的一致性，将电场重新分布直接与可测量的复合行为联系起来。

因此，V型坑充当了几何定义的注入修饰器，而不是被动缺陷。

InGaN多量子阱中围绕V型坑形成的三维空穴注入路径示意图。在电注入下，空穴沿半极性侧壁传输并注入相邻的平面量子阱，从而实现局部增强的辐射复合。

从局部载流子动力学到器件级性能

修改后的注入路径与改善的器件特性相关。InGaN红光LED实现了11.78%的峰值外量子效率。由相同外延片制造的10微米micro-LED在300 K时达到了1.10%的芯片峰值EQE。

温度相关测量显示，在较高电流密度下，特征温度高达221 K，表明对热激活非辐射复合的敏感性降低。随温度变化相对较小的波长漂移进一步支持了稳定的载流子限制。

这些宏观指标反映了微观载流子动力学。空间分辨光谱学将结构微特征与注入效率、复合平衡以及最终的器件性能联系起来。

本研究使用的PicoQuant仪器

采用了德国PicoQuant公司的微光致发光平台，该平台结合了FluoMic宽场光致发光显微镜和FluoTime 300光致发光光谱仪。

FluoMic与外部荧光寿命光谱仪（FluoTime 300）集成，作为微光致发光升级的一部分，实现了从微米级定义样品区域进行波长分辨测量。

关键实验要求包括：

· 亚微米级的空间分辨率，以分辨单个V型坑区域

· 对局部受限发射的光谱区分

· 用于双指数衰减分析的纳秒级寿命分辨率

·  405 nm 处的稳定激发，用于选择性激发量子阱

共聚焦显微镜与时间分辨单光子计数的结合，实现了微观结构、载流子寿命和发光效率之间的直接关联。这种空间和时间分辨率的整合对于理解micro-LED研究中的注入机制至关重要。