LED-urile tradiționale au revoluționat domeniul iluminatului și al afișajelor datorită performanței lor superioare în ceea ce privește eficiența, stabilitatea și dimensiunea dispozitivului. LED-urile sunt de obicei stive de pelicule semiconductoare subțiri cu dimensiuni laterale de milimetri, mult mai mici decât dispozitivele tradiționale, cum ar fi becurile incandescente și tuburile catodice. Cu toate acestea, aplicațiile optoelectronice emergente, cum ar fi realitatea virtuală și augmentată, necesită LED-uri cu dimensiunea de microni sau mai puțin. Speranța este ca LED-urile la scară micro sau submicronică (µled-uri) să continue să aibă multe dintre calitățile superioare pe care le au deja LED-urile tradiționale, cum ar fi emisia extrem de stabilă, eficiența și luminozitatea ridicate, consumul ultra-redus de energie și emisia full-color, fiind în același timp de aproximativ un milion de ori mai mici ca suprafață, permițând afișaje mai compacte. Astfel de cipuri LED ar putea, de asemenea, să deschidă calea pentru circuite fotonice mai puternice, dacă pot fi dezvoltate pe un singur cip pe Si și integrate cu electronică complementară din semiconductori de oxid metalic (CMOS).
Cu toate acestea, până în prezent, astfel de µled-uri au rămas evazive, în special în intervalul de lungimi de undă de emisie de la verde la roșu. Abordarea tradițională cu led-uri µ-led este un proces de sus în jos în care peliculele de InGaN cu sondă cuantică (QW) sunt gravate în dispozitive la scară microscopică printr-un proces de gravare. În timp ce µled-urile TiO2 cu peliculă subțire pe bază de InGaN QW au atras multă atenție datorită multora dintre proprietățile excelente ale InGaN, cum ar fi transportul eficient al purtătorilor și reglabilitatea lungimii de undă în întregul interval vizibil, până acum acestea au fost afectate de probleme precum deteriorarea coroziunii pereților laterali, care se agravează pe măsură ce dimensiunea dispozitivului se micșorează. În plus, din cauza existenței câmpurilor de polarizare, acestea au instabilitate a lungimii de undă/culorii. Pentru această problemă, au fost propuse soluții nepolare și semipolare cu InGaN și cavitate cu cristale fotonice, dar acestea nu sunt satisfăcătoare în prezent.
Într-o nouă lucrare publicată în Light Science and Applications, cercetătorii conduși de Zetian Mi, profesor la Universitatea din Michigan, Annabel, au dezvoltat un LED verde de tip nitrură de tip iii la scară submicronică care depășește definitiv aceste obstacole. Aceste µleduri au fost sintetizate prin epitaxie selectivă regională cu fascicul molecular asistată de plasmă. În contrast puternic cu abordarea tradițională de sus în jos, µledul de aici constă dintr-o matrice de nanofire, fiecare cu un diametru de doar 100 până la 200 nm, separate de zeci de nanometri. Această abordare de jos în sus evită, în esență, deteriorarea coroziunii pereților laterali.
Partea dispozitivului care emite lumină, cunoscută și sub numele de regiune activă, este compusă din structuri miez-înveliș cu multiple godeuri cuantice (MQW), caracterizate prin morfologie a nanofirelor. În special, MQW este alcătuit din godeul de InGaN și bariera de AlGaN. Datorită diferențelor în migrarea atomilor adsorbiți ai elementelor din Grupa III, indiu, galiu și aluminiu, pe pereții laterali, am constatat că indiul lipsea de pe pereții laterali ai nanofirelor, unde învelișul GaN/AlGaN înfășura miezul MQW ca un burrito. Cercetătorii au descoperit că conținutul de Al al acestui înveliș GaN/AlGaN a scăzut treptat de la partea de injecție a electronilor nanofirelor către partea de injecție a găurilor. Datorită diferenței dintre câmpurile de polarizare interne ale GaN și AlN, un astfel de gradient de volum al conținutului de Al din stratul de AlGaN induce electroni liberi, care sunt ușor de curs în miezul MQW și atenuează instabilitatea culorii prin reducerea câmpului de polarizare.
De fapt, cercetătorii au descoperit că pentru dispozitivele cu diametrul mai mic de un micron, lungimea de undă maximă a electroluminescenței, sau emisia de lumină indusă de curent, rămâne constantă într-un ordin de mărime al schimbării injecției de curent. În plus, echipa profesorului Mi a dezvoltat anterior o metodă pentru creșterea acoperirilor GaN de înaltă calitate pe siliciu pentru a crește LED-uri cu nanofire pe siliciu. Astfel, un µled se află pe un substrat de Si, gata pentru integrare cu alte componente electronice CMOS.
Acest µled are cu ușurință numeroase aplicații potențiale. Platforma dispozitivului va deveni mai robustă pe măsură ce lungimea de undă de emisie a afișajului RGB integrat pe cip se extinde la roșu.
Data publicării: 10 ian. 2023