Мобильные телефоны, ручные часы, телевизоры сверхвысокой четкости (см. статью "Телевизоры третьего поколения") - все это требует ярких, надежных и, главное, очень маленьких элементов отображения. Одними из таких кандидатов на эти элементы являются светодиоды с чипами малого размера. Как влияет уменьшение размера чипа на излучение света и эффективность светодиода?
С одной стороны, уменьшение размеров светодиодного чипа повышает надежность, срок службы и равномерность свечения по сравнению с чипами стандартного размера (это 30 - 40 мил или 750 - 1000 мкм). Это связано с более низкой рабочей температурой, улучшенным распределением тепла и лучшим распределением плотности тока. Главным фактором таких улучшений являются уменьшение рабочего тока (яркость устройства отображения обратно пропорционально квадрату шага пикселей).
Излучательная рекомбинация является основным источником света светодиодных структур. Но, по мере уменьшения площади светодиода оптические и электрические характеристики изменяются из-за ограниченной площади и увеличения отношения периметра к площади. Светодиоды с маленьким чипом имеют более низкую квантовую эффективность, чем их более крупные аналоги, из-за безызлучательной рекомбинации (как в объеме, так и на боковых стенках), во время которой энергия электронов преобразуется в энергию колебаний атомов решетки, то есть фононов. Наиболее распространенной причиной такой рекомбинации являются дефекты в кристаллической структуре чипа. Эти дефекты включают нежелательные посторонние атомы, собственные дефекты, дефекты боковых стенок и дислокации. На рисунке показан примеры таких дислокаций в кристалле.
В статье "Микро светоизлучающие диоды с квантовыми точками в технологии отображения" приводится график зависимости внешней эффективности (EQE - external quantum efficiency) светодиодов в зависимости от размеров чипа.
Из графика видно, что эффективность падает в три раза при уменьшении размеров чипа от 500 (стандартный размер) до 10 микрон. На следующем рисунке и верхних фотографиях показано уменьшение зоны излучения (good area) в зависимости от уменьшения размеров кристалла (из-за повреждения боковых стенок - damaged area).
Основным способом восстановления боковых стенок чипа является пассивация (запечатывание боковых стенок чипа). На рисунке показан вариант такой пассивации (фиолетовый слой), в данном случае, с использованием золь-гель технологии. На нижнем фото предыдущего рисунка показан результат такой пассивации, позволяющей восстановить зону излучения практически до размеров чипа.
Что же в итоге? Главным достоинством маленьких чипов (размером от 100 до 10, или даже меньше, микрон) является их маленькая мощность, обусловленная малым шагом пикселей и, соответственно, более низкая рабочая температура (это надежность) и лучшее распределение тока по площади чипа (это равномерность яркости). Недостатком таких чипов является не пониженная эффективность из-за безызлучательной рекомбинации (это технологический вопрос улучшения параметров чипов и пассивации боковых стенок), а количество таких чипов, необходимое для мало мальски большого дисплея (единицы и десятки миллионов) и связанная с этим трудоемкость изготовления.
