Traditionell LED har revolutionerat området för belysning och display på grund av deras överlägsna prestanda när det gäller effektivitet, stabilitet och enhetsstorlek. Lysdioder är vanligtvis staplar av tunna halvledarfilmer med sidomått på millimeter, mycket mindre än traditionella enheter som glödlampor och katodrör. Emellertid kräver nya optoelektroniska applikationer, såsom virtuell och förstärkt verklighet, lysdioder i storleken mikron eller mindre. Förhoppningen är att mikro- eller submikronskala LED (µled) fortsätter att ha många av de överlägsna kvaliteter som traditionella lysdioder redan har, såsom mycket stabil emission, hög effektivitet och ljusstyrka, ultralåg strömförbrukning och fullfärgs emission, samtidigt som den är ungefär en miljon gånger mindre i yta, vilket möjliggör mer kompakta skärmar. Sådana led-chips kan också bana väg för mer kraftfulla fotoniska kretsar om de kan odlas med ett chip på Si och integreras med komplementär metalloxid-halvledarelektronik (CMOS).
Men hittills har sådana µled förblivit svårfångade, särskilt i det gröna till röda emissionsvåglängdsområdet. Den traditionella led µ-led metoden är en top-down process där InGaN quantum well (QW) filmer etsas in i mikroskaliga enheter genom en etsningsprocess. Även om tunnfilms InGaN QW-baserade tio2 µled har väckt stor uppmärksamhet på grund av många av InGaNs utmärkta egenskaper, såsom effektiv transport av bärare och våglängdsavstämning i hela det synliga området, har de hittills plågats av problem som sidoväggar korrosionsskador som förvärras när enhetens storlek krymper. Dessutom, på grund av förekomsten av polarisationsfält, har de våglängd/färginstabilitet. För detta problem har icke-polära och semi-polära InGaN och fotoniska kristallhåligheter föreslagits, men de är inte tillfredsställande för närvarande.
I en ny artikel publicerad i Light Science and Applications har forskare under ledning av Zetian Mi, professor vid University of Michigan, Annabel, utvecklat en grön LED iii i submikronskala – nitrid som övervinner dessa hinder en gång för alla. Dessa µleds syntetiserades genom selektiv regional plasmaassisterad molekylär strålepitaxi. I skarp kontrast till den traditionella uppifrån och ner-metoden består µled här av en rad nanotrådar, var och en endast 100 till 200 nm i diameter, åtskilda av tiotals nanometer. Detta tillvägagångssätt nedifrån och upp undviker i huvudsak korrosionsskador på sidoväggen.
Den ljusemitterande delen av enheten, även känd som den aktiva regionen, är sammansatt av kärna-skal-multiple quantum well (MQW) strukturer som kännetecknas av nanotrådsmorfologi. I synnerhet består MQW av InGaN-brunnen och AlGaN-barriären. På grund av skillnader i adsorberad atommigrering av grupp III-elementen indium, gallium och aluminium på sidoväggarna, fann vi att indium saknades på nanotrådarnas sidoväggar, där GaN/AlGaN-skalet lindade MQW-kärnan som en burrito. Forskarna fann att Al-innehållet i detta GaN/AlGaN-skal minskade gradvis från elektroninjektionssidan av nanotrådarna till hålinjektionssidan. På grund av skillnaden i de interna polarisationsfälten för GaN och AlN, inducerar en sådan volymgradient av Al-innehållet i AlGaN-skiktet fria elektroner, som är lätta att strömma in i MQW-kärnan och lindrar färginstabiliteten genom att minska polarisationsfältet.
I själva verket har forskarna funnit att för enheter som är mindre än en mikron i diameter, förblir toppvåglängden för elektroluminescens, eller ströminducerad ljusemission, konstant i storleksordningen av förändringen i ströminjektion. Dessutom har professor Mi:s team tidigare utvecklat en metod för att odla högkvalitativa GaN-beläggningar på kisel för att odla nanotrådsled på kisel. Således sitter en µled på ett Si-substrat redo för integration med annan CMOS-elektronik.
Denna µled har lätt många potentiella tillämpningar. Enhetsplattformen kommer att bli mer robust när emissionsvåglängden för den integrerade RGB-skärmen på chippet expanderar till rött.
Posttid: 2023-jan-10