3. MicroLED发光原理
MicroLED 的发光本质，仍然是一个 p-n 结在正向偏置下注入电子与空穴、并在有源区发生辐射复合释放光子的过程。但与普通 LED 不同的是，MicroLED 的芯片尺寸通常只有几微米到几十微米，电流密度高、侧壁面积占比大、表面复合显著，因此外延结构、芯片结构、量子效率与波长设计必须协同优化。理解这条链路，是后续巨量转移、全彩化与光学封装的基础。
一、外延结构与芯片结构：光从哪里来
MicroLED 通常采用 III-V 族化合物半导体外延片，典型材料体系包括 GaN 基（蓝光、绿光）、AlGaInP 基（红光）以及 AlGaN 基（紫外）。以蓝光 MicroLED 为例，外延结构自下而上一般包括：衬底（蓝宝石或 SiC）、低温/高温 GaN 缓冲层、n-GaN 层、多量子阱有源区（InGaN/GaN MQW）、p-AlGaN 电子阻挡层、p-GaN 层。外延完成后，通过光刻、刻蚀、钝化、电极制备等工艺形成芯片。
芯片结构上，MicroLED 常见的有正装、倒装和垂直结构。正装结构工艺简单，但电流拥挤和散热较差；倒装结构通过焊球将 p 面朝下键合到驱动基板，散热和电流扩展更好；垂直结构则移除生长衬底，将 n 电极与 p 电极分置上下，电流路径更均匀，适合高电流密度工作。对于微米级芯片，台面刻蚀后的侧壁钝化尤为关键，因为侧壁悬挂键会形成非辐射复合中心，直接拉低效率。
关键认识：MicroLED 不是“缩小版 LED”。尺寸缩小后，侧壁面积与体积之比急剧增大，表面复合速率上升，外延与钝化质量对量子效率的影响被放大。
二、载流子复合发光：辐射复合与非辐射复合的竞争
当正向电压加在 p-n 结上时，n 区电子与 p 区空穴向有源区注入。电子从导带跃迁到价带，与空穴复合，能量以光子形式释放，这就是辐射复合。光子能量近似等于半导体禁带宽度 Eg，对应波长 λ ≈ 1240 / Eg（Eg 单位为 eV，λ 单位为 nm）。
然而，注入的载流子并不一定都走辐射复合通道。实际有源区中同时存在多种非辐射复合机制：
- SRH 复合：通过缺陷能级复合，与缺陷密度相关，低电流密度下占主导。
- 俄歇复合：三个载流子参与，高电流密度下显著增强，是“效率下降”（droop）的主因之一。
- 表面复合：侧壁悬挂键捕获载流子，MicroLED 中尤为突出。
- 漏电流：位错、杂质或结构缺陷形成旁路通道，降低有效注入效率。
因此，内量子效率 IQE 可理解为辐射复合速率与总复合速率之比。要提升 IQE，需要降低缺陷密度、优化量子阱厚度与组分、改善电子阻挡层设计，并通过钝化减少侧壁复合。
三、量子效率：IQE、EQE 与 WPE 的层级关系
评估 MicroLED 发光性能时，常用三个效率指标，它们层层递进：
| 指标 | 含义 | 主要影响因素 |
|---|---|---|
| IQE（内量子效率） | 有源区产生的光子数与注入电子空穴对数之比 | 材料缺陷、俄歇复合、表面复合、量子阱结构 |
| EQE（外量子效率） | 逃逸到芯片外部的光子数与注入载流子数之比 | IQE、光提取效率 LEE、电极遮挡、封装 |
| WPE（墙插效率） | 输出光功率与输入电功率之比 | EQE、工作电压、串联电阻、发热 |
三者关系可简写为：EQE = IQE × LEE，WPE = EQE × (V_photon / V_forward)。MicroLED 在低电流密度下常因 SRH 复合导致效率偏低，随着电流增大，IQE 先升后降，形成典型的“效率曲线”。小尺寸芯片的峰值 IQE 往往低于大尺寸芯片，且峰值对应的电流密度更高。
工程提示：讨论 MicroLED 效率时，必须说明测试条件（电流密度、温度、脉冲/直流）。脱离电流密度谈 EQE，容易得出误导性结论。
四、波长与材料组分关系：如何设计颜色
发光波长由有源区材料的禁带宽度决定，而禁带宽度可通过合金组分调节。对于 InGaN 量子阱，In 组分 x 越大，禁带宽度越小，波长越长：蓝光约 450 nm，绿光约 520 nm，红光则需要更高 In 组分，但高 In 组分会导致相分离和缺陷增加，因此 InGaN 红光效率远低于蓝光。红光 MicroLED 通常采用 AlGaInP 体系，通过 Al 与 Ga 的比例调节带隙。
常用近似关系如下：
InGaN: Eg(x) ≈ 3.42 - 2.65x + 0.65x² (eV)
AlGaInP: Eg(x) ≈ 1.90 + 0.61x (eV, 红光范围近似)
波长换算: λ(nm) ≈ 1240 / Eg(eV)
示例:
x = 0.15 → Eg ≈ 3.04 eV → λ ≈ 408 nm (紫蓝)
x = 0.25 → Eg ≈ 2.80 eV → λ ≈ 443 nm (蓝)
x = 0.35 → Eg ≈ 2.56 eV → λ ≈ 484 nm (青绿)除组分外，量子阱厚度、应变、极化效应也会影响实际发射波长。InGaN 量子阱中的极化电场会产生量子限制斯塔克效应，使波长红移并降低复合速率。因此，全彩化设计中，蓝、绿、红三色往往采用不同材料体系或不同量子阱结构，而不是简单改变同一结构的 In 组分。
五、案例与误区复盘
假设一款 10 μm 蓝光 MicroLED，外延为 InGaN/GaN 多量子阱，目标波长 450 nm。若测得 EQE 仅 8%，而大尺寸 LED 可达 60%，常见原因包括：台面刻蚀后侧壁未充分钝化，表面复合增强；p-GaN 欧姆接触不良导致电压偏高；电流扩展不均匀使局部电流密度过高，俄歇复合加剧。改进方向是优化钝化层、降低接触电阻、设计电流阻挡层与透明导电层。
常见误区：把“波长由电流决定”当作主要手段。实际上，MicroLED 波长主要由材料组分和量子阱结构决定，电流只带来小幅蓝移或红移。若靠增大电流强行改变颜色，会同时牺牲效率与寿命。
综上，MicroLED 发光原理可以串成一条清晰链路：外延结构决定材料带隙与有源区质量，芯片结构决定电流注入与光提取，载流子复合决定光子产生，量子效率衡量这一过程的优劣，而波长与材料组分关系则给出颜色设计的定量依据。只有把这条链路打通，后续的全彩化方案、驱动设计与光学封装才有可靠的物理基础。