Een onderzoeksteam van de Universiteit van Xiamen heeft experimenteel aangetoond dat het gebruik van een hexagonale mesastructuur de prestaties van indiumgalliumnitride (InGaN) microgroene lichtgevende diodes (leds) aanzienlijk kan verbeteren. Het onderzoek, gepubliceerd in *Optics Express*, deel 33, pagina 42747, 2025, beschrijft hoe het optimaliseren van de geometrie van de microLED-mesa de huidige uniformiteitsproblemen kan oplossen en de foto-elektronische efficiëntie kan verbeteren – cruciaal voor de volgende generatie display- en communicatietechnologieën. De "mesa" verwijst naar het verhoogde gedeelte op de microLED dat het lichtgevende oppervlak (LES) vormt, de kerncomponent voor lichtemissie.
1. Onderzoeksontwerp: vergelijking van drie mesastructuren en de voordelen van hexagonale structuren
In deze studie werden drie mesastructuren vergeleken: cirkelvormig, vierkant en hexagonaal. Alle structuren werden vervaardigd uit meerlaagse indium-galliumnitride/galliumnitride (InGaN/GaN)-materialen, gegroeid op gepatroneerde saffiersubstraten met behulp van metaalorganische chemische dampdepositie (MOCVD).
De hexagonale mesa, met zijn zes gelijkmatig verdeelde hoekpunten, bereikt drie belangrijke optimalisaties:
* Het verkort de maximale afstand tussen de centrale p-elektrode en de mesa-rand, waardoor de uniformiteit van de stroomdiffusie binnen het actieve gebied wordt verbeterd;
* Het verlicht het probleem van hoekstroomaccumulatie dat vaak voorkomt in vierkante mesa's, waardoor gebieden met een lage stroomdichtheid worden verminderd die leiden tot prestatieverslechtering;
* Het beschikt over een evenwichtige verhouding tussen de omtrek en het elektrodeoppervlak (P/A), waardoor de efficiëntie van de dragerinjectie wordt geoptimaliseerd en parasitaire recombinatie wordt onderdrukt.
2. Toepassingswaarde: kernscenario's en technologische betekenis van miniatuur groene LED's
Miniatuurgroene LED's die binnen het gevoeligheidsbereik van het menselijk oog werken, zijn belangrijke apparaten op gebieden als hifi-kleurendisplays, augmented reality/virtual reality (AR/VR)-systemen, fototherapie en communicatie met zichtbaar licht.
De kernwaarde van dit onderzoek ligt in het aantonen dat optimalisatie van de structurele geometrie op microschaal kwantificeerbare prestatieverbeteringen kan opleveren zonder de materiaalsamenstelling te veranderen. Hexagonale mesa, met zijn superieure stroomspreidingsvermogen, lagere niet-stralingsverliezen en hogere externe kwantumefficiëntie (EQE), is een veelbelovende structurele oplossing geworden voor zeer efficiënte microdisplay- en communicatie-leds, die perfect aansluit bij de trend in de sector naar geminiaturiseerde, zeer heldere en duurzame fotonische apparaten.
3. Experimentele gegevens: Kwantificering van de prestatievoordelen van hexagonale structuren
Bij het testen van de elektrische prestaties bleef de inschakelspanning van de drie structurele apparaten consistent rond de 3,3 V, maar bij hoge voorspanningen werden aanzienlijke verschillen waargenomen:
Bij een voorspanning van 10 V bereikte de stroomdichtheid van de hexagonale LED 285,8 A/cm², wat de stroomdichtheid van de vierkante (199,9 A/cm²) en ronde (164,7 A/cm²) mesa-lamp aanzienlijk overtrof. Deze gegevens geven aan dat het geoptimaliseerde stroomspreidingseffect de efficiëntie van de ladingsdragerinjectie direct verbetert.
Naarmate de stroom toeneemt, vertoont de emissiegolflengte van de hexagonale LED een aanzienlijke blauwverschuiving van 2,9 nm. Dit betekent dat de gelijkmatigere ladingsdragerverdeling het kwantumopsluitingseffect vermindert.
Bij het testen van optische prestaties werden de voordelen van de hexagonale structuur nog duidelijker:
Bij een injectiestroomdichtheid van 200 A/cm² bereikte de uitgangsvermogensdichtheid van de hexagonale micro-LED 4,94 W/cm², wat hoger is dan die van ronde (3,86 W/cm²) en vierkante (3,14 W/cm²) structuren;
De externe kwantumefficiëntie (EQE) bereikte een piek van 19,9% bij een stroomdichtheid van 10,41 A/cm², hoger dan die van ronde (16,9%) en vierkante (17,6%) apparaten;
Als belangrijke indicator voor de afname van de efficiëntie bij stroom, was de EQE-vervalsnelheid van de hexagonale structuur slechts 48,2%. Dat is lager dan die van circulaire (52,4%) en vierkante (56,1%) structuren. Dit toont de superieure prestaties op het gebied van thermische balans en elektron-gat-recombinatiebalans aan.
