近日，中国科研团队研发出一种隧道结（TJ）蓝光微型发光二极管（Micro-LED），器件电光转换效率（WPE）达到45.23％，相关成果由王瑶等人发表于《Optics Express》期刊。该器件采用全新结构，省去传统工艺中用于激活镁掺杂、制备p型氮化镓（p-GaN）的外延后热退火工序。
厦门大学、厦门大学未来显示研究院与南京大学联合研究团队表示：“该研究规避了高温引发的外延层性能劣化风险，为无退火隧道结Micro-LED在垂直堆叠全彩Micro-LED显示屏、高亮度照明及各类光电器件中的落地应用扫清障碍。”
常规蓝光Micro-LED依靠铟镓氮（InGaN）多量子阱（MQW）在电注入下发光，而量子阱结构极易在高温工艺中受损。Micro-LED正作为超高清显示像素单元被大力研发，可用于VR/AR等设备。这类化合物半导体像素具备分辨率更高、功耗更低、寿命更长、亮度更高、响应速度更快等多重优势。
氮化镓基LED普遍存在空穴注入效率偏低的痛点。行业常规方案是通过热退火去除钝化镁受主能级的氢原子，但制备得到的p-GaN导电性能较差；采用顶层n-GaN隧道结结构虽能缓解部分问题，却会给埋层p-GaN的激活带来巨大难题。研究团队采用低温生长顶层n-GaN薄膜，诱导薄膜呈岛状生长模式，在表面形成大量间隙，让底层p-GaN内部的氢原子顺利逸出。
研究人员在图形化蓝宝石衬底上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备蓝光LED外延材料，除隧道结结构外，其余工艺流程均为标准制程。隧道结分层生长参数如下：20 纳米厚、1000℃高温重掺杂p⁺-GaN；3纳米厚、680℃生长n-InGaN层；20纳米厚、720℃生长n⁺-GaN层。每一层生长完成后，均使用清洗溶剂与王水对生长表面进行处理。
最后在865℃低温下生长一层300纳米厚的轻掺杂n⁻-GaN顶层，以此诱导岛状形貌生长。该 “岛状隧道结Micro-LED（Isl TJ）” 作为实验组，对照组器件则采用行业常规 950℃高温生长平整n⁻-GaN顶层。
图1. 器件结构说明:(a) 器件完整层结构示意图：DBR 分布式布拉格反射层、金属焊盘、岛状n⁻-GaN、n⁺-GaN、InGaN多量子阱、p⁺-GaN、p-GaN、底层u-GaN、图形化蓝宝石衬底PSS；(b) 岛状n⁻-GaN表面SEM扫描电镜图，标尺1微米；(c) 隧道结区域截面透射电镜TEM图，标尺200纳米；(d) 氢原子逸出原理示意图：岛状结构缝隙使p-GaN内部氢离子 H⁺向外释放。
研究团队采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀制备10微米尺寸LED台面，并使用自研轻量化原子电荷匹配钝化工艺处理侧壁，工艺包含湿法刻蚀与氢等离子体处理；随后沉积230纳米等离子体增强化学气相沉积二氧化硅薄膜实现电气绝缘。
器件出光效率通过二氧化钛/二氧化硅交替堆叠的分布式布拉格反射层（DBR）提升，金属接触层采用铬/钛/金复合金属。部分对照组器件在台面刻蚀后，额外进行720℃、时长30分钟的快速热退火（RTA）处理。
除了让钝化氢原子从p-GaN层充分逸出外，研究团队还指出：金属接触层会在岛状n⁻-GaN表面形成纳米级尖锐凸起。施加电压时，金属尖点产生局部电场增强效应，强电场沿位错线传导，进一步提升载流子注入效率，最终让岛状隧道结器件实现优异光电性能。
测试结果显示：未经快速热退火的岛状隧道结Micro-LED，光谱电致发光强度几乎达到其余所有对比样品的两倍。团队解读：“发光强度大幅提升，证明岛状隧道结结构拥有更优异的载流子注入能力与辐射复合效率。”
图2. 器件发光强度线扫描曲线：红色曲线：无退火岛状隧道结Isl TJ；黑色曲线：退火处理岛状隧道结RTA Isl TJ；红色虚线：无退火普通隧道结Ref TJ；黑色虚线：退火普通隧道结RTA Ref TJ无退火岛状隧道结器件的发光强度均匀性也全面优于无退火对照组器件。团队分析原因：岛状结构下电流扩展效果更佳，底层p-GaN激活程度更充分。同时快速热退火对两类器件影响截然相反：普通隧道结经过退火后，发光均匀性小幅提升，但发光强度明显下降，推测是多量子阱在高温下受损；而岛状隧道结器件经过退火后，发光性能与均匀性同步劣化，高温会严重破坏其量子阱结构。当注入电流密度提升至350A/cm²时，所有器件均出现14~15纳米波长蓝移，半高宽同步拓宽12~13纳米。
图3. 电学与光电性能测试曲线：(a)岛状隧道结器件电流-电压特性曲线，插图为反向漏电流曲线；(b)岛状隧道结电光转换效率WPE与输出功率曲线；(c) 普通隧道结器件电流-电压曲线，插图为反向漏电流；(d) 普通隧道结电光转换效率与输出功率曲线；绿色圈标注低电流密度下效率差距未做快速热退火的岛状隧道结Micro-LED，在20A/cm²注入电流密度下工作电压仅2.99V，输出光功率2.55微瓦，峰值电光转换效率高达45.23％。研究团队表示：“这一结果说明岛状隧道结结构中p-GaN在外延生长阶段已完成充分激活，形成高效隧道结，压降损失极小，载流子注入效率大幅提升。”
若对该器件进行快速热退火处理，输出光功率降至18.21微瓦，峰值电光转换效率仅14.12％。团队解释：“性能大幅衰减证明退火工艺会破坏该结构的多量子阱，其负面影响完全抵消电学层面的微弱提升。”
团队补充，岛状隧道结凹凸粗糙表面还能抑制全内反射，进一步提升出光效率；传统平整表面氮化镓器件极易发生光全反射，大量光线被禁锢在芯片内部无法导出。该无退火岛状隧道结器件45.23％ 的电光转换效率，大幅超越现有公开报道的其余隧道结蓝光LED（最高仅 3.4％），以及采用氧化铟锡（ITO）电流扩展/空穴注入方案的蓝光LED（最高34.3％）。