Tradycyjne diody LED zrewolucjonizowały dziedzinę oświetlenia i wyświetlaczy dzięki swojej wyższej wydajności, stabilności i rozmiarom. Diody LED to zazwyczaj stosy cienkich warstw półprzewodnikowych o wymiarach bocznych rzędu milimetrów, znacznie mniejszych niż tradycyjne urządzenia, takie jak żarówki żarowe i lampy katodowe. Jednak nowe zastosowania optoelektroniczne, takie jak rzeczywistość wirtualna i rozszerzona, wymagają diod LED o rozmiarach rzędu mikronów lub mniejszych. Nadzieją jest, że diody LED w skali mikro- lub submikronowej (µled) nadal będą miały wiele z tych samych doskonałych cech, które posiadają już tradycyjne diody LED, takich jak wysoka stabilność emisji, wysoka wydajność i jasność, ultraniskie zużycie energii i emisja pełnego koloru, a jednocześnie będą około milion razy mniejsze, co pozwoli na tworzenie bardziej kompaktowych wyświetlaczy. Takie układy LED mogłyby również utorować drogę do bardziej wydajnych obwodów fotonicznych, jeśli będą mogły być wytwarzane jako pojedyncze układy na krzemie i zintegrowane z elektroniką CMOS (komplementarny półprzewodnik metalowo-tlenkowy).
Jednak jak dotąd takie µledy pozostawały nieuchwytne, zwłaszcza w zakresie długości fal emisji od zielonej do czerwonej. Tradycyjne podejście do µ-ledów LED opiera się na procesie top-down, w którym warstwy studni kwantowej (QW) InGaN są wytrawiane w urządzeniach mikroskalowych poprzez proces trawienia. Chociaż cienkowarstwowe µledy tio2 oparte na QW InGaN przyciągnęły wiele uwagi ze względu na wiele doskonałych właściwości InGaN, takich jak wydajny transport nośników i dostrajanie długości fal w całym zakresie widzialnym, do tej pory borykały się z problemami, takimi jak uszkodzenia korozyjne ścianek bocznych, które pogarszają się wraz ze zmniejszaniem rozmiaru urządzenia. Ponadto, ze względu na istnienie pól polaryzacyjnych, charakteryzują się niestabilnością długości fali/barwy. W przypadku tego problemu zaproponowano rozwiązania z niepolarnymi i półpolarnymi InGaN oraz wnękami kryształu fotonicznego, ale obecnie nie są one satysfakcjonujące.
W nowym artykule opublikowanym w czasopiśmie Light Science and Applications, naukowcy pod kierownictwem Zetiana Mi, profesora Uniwersytetu Michigan w Annabel, opracowali submikronową zieloną diodę LED III – azotek, która raz na zawsze pokonuje te przeszkody. Te µledy zostały zsyntetyzowane metodą selektywnej, regionalnej epitaksji z wiązek molekularnych wspomaganej plazmą. W jaskrawym przeciwieństwie do tradycyjnego podejścia top-down, µled składa się z szeregu nanodrutów, z których każdy ma średnicę zaledwie 100–200 nm, oddalonych od siebie o dziesiątki nanometrów. To podejście bottom-up zasadniczo pozwala uniknąć uszkodzeń ścian bocznych spowodowanych korozją.
Część emitująca światło urządzenia, znana również jako obszar aktywny, składa się ze struktur rdzeniowo-powłokowych wielokrotnych studni kwantowych (MQW) charakteryzujących się morfologią nanodrutów. W szczególności MQW składa się ze studni InGaN i bariery AlGaN. Ze względu na różnice w migracji zaadsorbowanych atomów pierwiastków grupy III indu, galu i glinu na ściankach bocznych, odkryliśmy, że indu brakowało na ściankach bocznych nanodrutów, gdzie powłoka GaN/AlGaN otaczała rdzeń MQW jak burrito. Naukowcy odkryli, że zawartość Al w tej powłoce GaN/AlGaN stopniowo zmniejszała się od strony wstrzykiwania elektronów do strony wstrzykiwania dziur. Ze względu na różnicę w wewnętrznych polach polaryzacji GaN i AlN, taki gradient objętościowy zawartości Al w warstwie AlGaN indukuje swobodne elektrony, które łatwo wpływają do rdzenia MQW i zmniejszają niestabilność koloru poprzez redukcję pola polaryzacji.
W rzeczywistości naukowcy odkryli, że w przypadku urządzeń o średnicy mniejszej niż jeden mikron, szczytowa długość fali elektroluminescencji, czyli emisji światła indukowanej prądem, pozostaje stała o rząd wielkości zmiany natężenia prądu. Ponadto, zespół profesora Mi opracował wcześniej metodę wytwarzania wysokiej jakości powłok GaN na krzemie, co pozwala na wytwarzanie nanodrutowych diod LED na krzemie. W ten sposób µLED umieszczany jest na podłożu krzemowym i gotowy do integracji z innymi układami elektronicznymi CMOS.
Ten mikrodioda ma wiele potencjalnych zastosowań. Platforma urządzenia stanie się bardziej niezawodna, gdy długość fali emisji zintegrowanego wyświetlacza RGB na chipie rozszerzy się do czerwieni.
Czas publikacji: 10 stycznia 2023 r.