Ein Forschungsteam der Universität Xiamen hat experimentell nachgewiesen, dass die Verwendung einer hexagonalen Mesa-Struktur die Leistung von Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Mikro-LEDs (grüne Leuchtdioden) signifikant verbessern kann. Die in *Optics Express*, Band 33, Seite 42747, 2025, veröffentlichte Studie beschreibt detailliert, wie die Optimierung der Geometrie der Mikro-LED-Mesa Probleme mit der Stromgleichmäßigkeit löst und die photoelektronische Effizienz verbessert – entscheidend für Display- und Kommunikationstechnologien der nächsten Generation. Die Bezeichnung „"mesa"“ bezieht sich auf die erhöhte Fläche der Mikro-LED, die die Leuchtfläche (LES) bildet, das Kernelement der Lichtemission.
1. Forschungsdesign: Vergleich dreier Mesa-Strukturen und die Vorteile hexagonaler Strukturen
In dieser Studie wurden drei Mesa-Strukturen verglichen: kreisförmig, quadratisch und hexagonal. Alle Strukturen wurden aus Indiumgalliumnitrid/Galliumnitrid (InGaN/GaN)-Mehrschichtmaterialien hergestellt, die mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) auf strukturierten Saphirsubstraten gewachsen wurden.
Die hexagonale Mesa mit ihren sechs gleichmäßig verteilten Eckpunkten erzielt drei wesentliche Optimierungen:
* Dadurch wird der maximale Abstand zwischen der zentralen p-Elektrode und dem Rand der Mesa verkürzt, wodurch die Gleichmäßigkeit der Stromdiffusion innerhalb der aktiven Zone verbessert wird;
* Es mindert das Problem der Stromakkumulation an den Ecken, das häufig bei quadratischen Mesas auftritt, und reduziert Bereiche mit niedriger Stromdichte, die zu Leistungseinbußen führen;
* Es besitzt ein ausgewogenes Verhältnis von Umfang zu Elektrodenfläche (P/A), wodurch die Ladungsträgerinjektionseffizienz optimiert und gleichzeitig die parasitäre Rekombination unterdrückt wird.
2. Anwendungswert: Kernszenarien und technologische Bedeutung von miniaturisierten grünen LEDs
Miniaturisierte grüne LEDs, die im Bereich der maximalen Empfindlichkeit des menschlichen Auges arbeiten, sind Schlüsselelemente in Bereichen wie hochauflösenden Farbdisplays, Augmented-Reality-/Virtual-Reality-Systemen (AR/VR), Phototherapie und sichtbarer Lichtkommunikation.
Der Kernwert dieser Forschung liegt im Nachweis, dass durch die Optimierung der mikrostrukturellen Geometrie messbare Leistungsverbesserungen erzielt werden können, ohne die Materialzusammensetzung zu verändern. Hexagonale Mesas mit ihrer überlegenen Stromverteilungsfähigkeit, geringeren nicht-strahlenden Verlusten und höheren externen Quanteneffizienz (EQE) haben sich als vielversprechende Strukturlösung für hocheffiziente Mikrodisplay- und Kommunikations-LEDs erwiesen und entsprechen damit perfekt dem Branchentrend hin zu miniaturisierten, hochhellen und langlebigen photonischen Bauelementen.
3. Experimentelle Daten: Quantifizierung der Leistungsvorteile hexagonaler Strukturen
Bei elektrischen Leistungstests blieb die Einschaltspannung der drei Strukturbauteile konstant bei etwa 3,3 V, jedoch wurden bei hohen Vorspannungen signifikante Unterschiede beobachtet:
Bei einer Vorspannung von 10 V erreichte die Stromdichte der hexagonalen LED 285,8 A/cm², was die der quadratischen (199,9 A/cm²) und kreisförmigen (164,7 A/cm²) Mesa deutlich übertrifft; diese Daten deuten darauf hin, dass der optimierte Stromverteilungseffekt die Ladungsträgerinjektionseffizienz direkt verbessert.
Mit zunehmender Stromstärke verschiebt sich die Emissionswellenlänge der hexagonalen LED signifikant in den blauen Bereich um 2,9 nm, was bedeutet, dass die gleichmäßigere Ladungsträgerverteilung den Quanteneinschluss-Effekt verringert.
Bei optischen Leistungstests traten die Vorteile der hexagonalen Struktur noch deutlicher hervor:
Bei einer Injektionsstromdichte von 200 A/cm² erreichte die Ausgangsleistungsdichte der hexagonalen Mikro-LED 4,94 W/cm² und übertraf damit die von kreisförmigen (3,86 W/cm²) und quadratischen (3,14 W/cm²) Strukturen;
Die externe Quanteneffizienz (EQE) erreichte bei einer Stromdichte von 10,41 A/cm² einen Spitzenwert von 19,9 % und war damit höher als die von kreisförmigen (16,9 %) und quadratischen (17,6 %) Bauelementen;
Als wichtiger Indikator für die Effizienzverschlechterung mit zunehmendem Strom betrug die EQE-Abklingrate der hexagonalen Struktur nur 48,2 %, niedriger als die der kreisförmigen (52,4 %) und quadratischen (56,1 %) Strukturen, was ihre überlegene Leistung in Bezug auf Wärmegleichgewicht und Elektron-Loch-Rekombinationsgleichgewicht beweist.
