Tradycyjne diody LED zrewolucjonizowały dziedzinę oświetlenia i wyświetlaczy dzięki swojej wyższej wydajności pod względem efektywności, stabilności i rozmiaru urządzenia. Diody LED to zazwyczaj stosy cienkich warstw półprzewodnikowych o wymiarach bocznych milimetrów, znacznie mniejszych niż tradycyjne urządzenia, takie jak żarówki żarowe i lampy katodowe. Jednak pojawiające się zastosowania optoelektroniczne, takie jak rzeczywistość wirtualna i rozszerzona, wymagają diod LED o rozmiarze mikronów lub mniejszym. Nadzieją jest, że diody LED w skali mikro lub submikronowej (µled) nadal będą miały wiele z lepszych cech, które mają już tradycyjne diody LED, takie jak wysoce stabilna emisja, wysoka wydajność i jasność, ultraniskie zużycie energii i emisja pełnokolorowa, przy jednoczesnym zachowaniu około miliona razy mniejszej powierzchni, co umożliwi bardziej kompaktowe wyświetlacze. Takie układy LED mogłyby również utorować drogę dla mocniejszych obwodów fotonicznych, jeśli można je będzie wytwarzać jako pojedynczy układ na krzemie i integrować z elektroniką półprzewodnikową z komplementarnym tlenkiem metalu (CMOS).
Jednak do tej pory takie µledy pozostawały nieuchwytne, szczególnie w zakresie długości fal emisji od zielonej do czerwonej. Tradycyjne podejście do diod LED µ-led to proces odgórny, w którym warstwy studni kwantowej (QW) InGaN są wytrawiane w urządzeniach mikroskalowych poprzez proces wytrawiania. Podczas gdy 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 były nękane przez problemy, takie jak uszkodzenie korozyjne ścianek bocznych, które pogarsza się wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru urządzenia. Ponadto, ze względu na istnienie pól polaryzacyjnych, mają niestabilność długości fali/koloru. W przypadku tego problemu zaproponowano rozwiązania z InGaN niepolarnym i półpolarnym oraz wnęki kryształu fotonicznego, ale obecnie nie są one zadowalające.
W nowym artykule opublikowanym w Light Science and Applications, naukowcy pod przewodnictwem Zetiana Mi, profesora z University of Michigan, Annabel, opracowali zieloną diodę LED iii w skali submikronowej – azotek, która raz na zawsze pokonuje te przeszkody. Te µledy zostały zsyntetyzowane przez selektywną regionalną epitaksję wiązką molekularną wspomaganą plazmą. W jaskrawym przeciwieństwie do tradycyjnego podejścia top-down, µled tutaj składa się z szeregu nanodrutów, każdy o średnicy zaledwie 100 do 200 nm, oddzielonych dziesiątkami nanometrów. To podejście bottom-up zasadniczo unika uszkodzeń spowodowanych korozją ścian bocznych.
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 aluminium na ścianach bocznych, odkryliśmy, że indu brakowało na ścianach bocznych nanodrutów, gdzie powłoka GaN/AlGaN owinęła rdzeń MQW jak burrito. Naukowcy odkryli, że zawartość Al w tej powłoce GaN/AlGaN stopniowo zmniejszała się od strony wtrysku elektronów nanodrutów do strony wtrysku 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 łagodzą niestabilność koloru poprzez zmniejszenie pola polaryzacji.
W rzeczywistości badacze 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 wstrzykniętego prądu. Ponadto zespół profesora Mi opracował wcześniej metodę hodowli wysokiej jakości powłok GaN na krzemie w celu hodowli diod LED nanodrutowych na krzemie. W ten sposób µled znajduje się na podłożu Si i jest gotowy do integracji z innymi układami elektronicznymi CMOS.
Ten µled z łatwością ma wiele potencjalnych zastosowań. Platforma urządzenia stanie się bardziej wytrzymała, gdy długość fali emisji zintegrowanego wyświetlacza RGB na chipie rozszerzy się do czerwieni.
Czas publikacji: 10-01-2023