Traditionell LED har revolutionerat belysnings- och displayområdet tack vare deras överlägsna prestanda vad gäller effektivitet, stabilitet och enhetsstorlek. Lysdioder är vanligtvis staplar av tunna halvledarfilmer med laterala dimensioner på millimeter, mycket mindre än traditionella enheter som glödlampor och katodrör. Emellertid kräver nya optoelektroniska tillämpningar, såsom virtuell och förstärkt verklighet, lysdioder i mikronstorlek eller mindre. Förhoppningen är att lysdioder i mikro- eller submikronskala (µleds) fortsätter att ha många av de överlägsna egenskaper som traditionella lysdioder redan har, såsom mycket stabil emission, hög effektivitet och ljusstyrka, ultralåg strömförbrukning och fullfärgsemission, samtidigt som de är ungefär en miljon gånger mindre i yta, vilket möjliggör mer kompakta skärmar. Sådana LED-chips skulle också kunna bana väg för kraftfullare fotoniska kretsar om de kan odlas som ett enda chip på Si och integreras med komplementär metalloxidhalvledarelektronik (CMOS).
Hittills har dock sådana µleds förblivit svårfångade, särskilt i det gröna till röda emissionsvåglängdsområdet. Den traditionella led µ-led-metoden är en top-down-process där InGaN-kvantbrunnsfilmer (QW) etsas in i mikroskaliga komponenter genom en etsningsprocess. Medan tunnfilms-InGaN QW-baserade tio2 µleds har väckt stor uppmärksamhet på grund av många av InGaNs utmärkta egenskaper, såsom effektiv bärartransport och våglängdsavstämningsbarhet i hela det synliga området, har de fram till nu plågats av problem som korrosionsskador på sidoväggarna som förvärras när komponentstorleken krymper. På grund av förekomsten av polarisationsfält har de dessutom våglängds-/färginstabilitet. För detta problem har icke-polära och semipolära InGaN- och fotoniska kristallkavitetslösningar föreslagits, men de är inte tillfredsställande för närvarande.
I en ny artikel publicerad i Light Science and Applications har forskare ledda av Zetian Mi, professor vid University of Michigan i Annabel, utvecklat en grön LED iii-nitrid på submikronskala som övervinner dessa hinder en gång för alla. Dessa µleds syntetiserades genom selektiv regional plasmaassisterad molekylärstråleepitaxi. I skarp kontrast till den traditionella top-down-metoden består µled-lampan här av en uppsättning nanotrådar, var och en endast 100 till 200 nm i diameter, separerade med tiotals nanometer. Denna bottom-up-metod undviker i huvudsak korrosionsskador på sidväggarna.
Den ljusemitterande delen av anordningen, även känd som den aktiva regionen, består av kärna-skal-multipla kvantbrunnsstrukturer (MQW) som kännetecknas av nanotrådsmorfologi. I synnerhet består MQW av InGaN-brunnen och AlGaN-barriären. På grund av skillnader i adsorberad atommigration 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 lätt kan flöda in i MQW-kärnan och lindra färginstabiliteten genom att minska polarisationsfältet.
Forskarna har faktiskt funnit att för anordningar med en diameter mindre än en mikron förblir toppvåglängden för elektroluminescens, eller ströminducerad ljusemission, konstant i en storleksordning av förändringen i ströminjektionen. Dessutom har professor Mis team tidigare utvecklat en metod för att odla högkvalitativa GaN-beläggningar på kisel för att odla nanotråds-LED 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 i takt med att emissionsvåglängden för den integrerade RGB-displayen på chipet expanderar till rött.
Publiceringstid: 10 januari 2023