基于金属-绝缘体-半导体结构的InGaN/GaN微型发光器件：突破外量子效率极限的创新设计

本文报道了一种创新型金属-绝缘体-半导体（MIS）侧壁结构的InGaN/GaN微型发光二极管（micro-LED），通过施加侧壁偏压调控表面非辐射复合，将8 μm器件的峰值外量子效率（EQE）提升至53.9%（23.3 A cm?2），低电流密度下（0.625 A cm?2）EQE提高10.7个百分点，性能媲美顶级有机发光二极管（OLED）。该研究为微显示领域效率瓶颈提供了突破性解决方案。

　　

突破效率瓶颈的MIS结构创新设计

针对InGaN/GaN微发光二极管（micro-LED）尺寸缩小导致外量子效率（EQE）急剧下降的行业难题，研究团队开发出具有金属-绝缘体-半导体（MIS）侧壁结构的创新器件。通过原子层沉积（ALD）技术在8-50 μm直径的台面侧壁构建Al₂O₃绝缘层和Al金属电极，实现了表面缺陷态与有源区电子态能级差的电场调控。

能带工程调控表面复合

实验数据显示，+20V侧壁偏压可使8 μm器件在0.625 A cm^?2下的EQE从20.0%跃升至30.7%。理论模型揭示其机理：正偏压使n型有源区表面势ψ_s下降（公式6），表面复合速度S₀降低（公式9-11），缺陷辅助隧穿电流增加（图5）。修正的ABC模型（公式20）精准预测了不同尺寸器件的效率变化趋势，证实表面复合项(4S/D)n对微米级器件效率起决定性作用。

尺寸依赖的增强效应

值得注意的是，效率提升呈现显著尺寸效应：8 μm器件的ΔEQE/V_sidewall达4.5%/μm（公式21），而50 μm器件仅0.9%/μm（图7）。这种非线性关系源于表面复合体积比(4/D)的几何放大效应（公式14）。在23.3 A cm^?2下，8 μm器件创纪录地实现53.9%峰值EQE，同时峰值效率对应的电流密度降低13.9 A cm^?2（图6g），证明MIS结构对小尺寸器件更具调控优势。

显示应用的里程碑意义

该技术使micro-LED在1 A cm^?2以下的低工作电流密度下，EQE首次达到OLED水平（图1b）。墙插效率（WPE）同步提升52%，且栅极电流仅2 pA可忽略不计。通过干法刻蚀配方优化、KOH处理及ALD钝化的多维度工艺整合（图2），器件暗电流密度低至3×10^?8 A cm^?2，理想因子η_ideal≈1.5（图4b），为高分辨率微显示提供了兼具高亮度、低功耗和长寿命的解决方案。