Tradisjonell LED har revolusjonert belysnings- og displayfeltet på grunn av deres overlegne ytelse når det gjelder effektivitet, stabilitet og enhetsstørrelse. LED-er er vanligvis stabler av tynne halvlederfilmer med laterale dimensjoner på millimeter, mye mindre enn tradisjonelle enheter som glødepærer og katoderør. Imidlertid krever nye optoelektroniske applikasjoner, som virtuell og utvidet virkelighet, LED-er i størrelsen mikron eller mindre. Håpet er at LED-er på mikro- eller submikronskala (µled) fortsetter å ha mange av de overlegne egenskapene som tradisjonelle LED-er allerede har, for eksempel svært stabil emisjon, høy effektivitet og lysstyrke, ultralavt strømforbruk og fullfargeemisjon, samtidig som de er omtrent en million ganger mindre i areal, noe som gir mulighet for mer kompakte skjermer. Slike LED-brikker kan også bane vei for kraftigere fotoniske kretser hvis de kan dyrkes enkeltbrikke på Si og integreres med komplementær metalloksidhalvlederelektronikk (CMOS).
Imidlertid har slike µled-er så langt forblitt unnvikende, spesielt i det grønne til røde emisjonsbølgelengdeområdet. Den tradisjonelle led µ-led-tilnærmingen er en ovenfra-og-ned-prosess der InGaN-kvantebrønnfilmer (QW) etses inn i mikroskala-enheter gjennom en etseprosess. Mens tynnfilms InGaN QW-baserte tio2 µled-er har tiltrukket seg mye oppmerksomhet på grunn av mange av InGaNs utmerkede egenskaper, som effektiv bærertransport og bølgelengdejusteringsevne i hele det synlige området, har de frem til nå vært plaget av problemer som korrosjonsskader på sideveggen som forverres når enhetsstørrelsen krymper. I tillegg, på grunn av eksistensen av polarisasjonsfelt, har de bølgelengde-/fargeustabilitet. For dette problemet har det blitt foreslått ikke-polare og semipolare InGaN- og fotoniske krystallhulromsløsninger, men de er ikke tilfredsstillende for øyeblikket.
I en ny artikkel publisert i Light Science and Applications har forskere ledet av Zetian Mi, professor ved University of Michigan i Annabel, utviklet en grønn LED iii-nitrid på submikronskala som overvinner disse hindringene én gang for alle. Disse µled-ene ble syntetisert ved selektiv regional plasmaassistert molekylærstråleepitaksi. I sterk kontrast til den tradisjonelle ovenfra-og-ned-tilnærmingen består µled-en her av en rekke nanotråder, hver med en diameter på bare 100 til 200 nm, atskilt med titalls nanometer. Denne nedenfra-og-opp-tilnærmingen unngår i hovedsak korrosjonsskader på sideveggene.
Den lysutstrålende delen av enheten, også kjent som den aktive regionen, består av kjerne-skall multiple quantum well (MQW) strukturer karakterisert ved nanotrådmorfologi. Spesielt består MQW av InGaN-brønnen og AlGaN-barrieren. På grunn av forskjeller i adsorbert atommigrasjon av gruppe III-elementene indium, gallium og aluminium på sideveggene, fant vi at indium manglet på sideveggene til nanotrådene, der GaN/AlGaN-skallet pakket inn MQW-kjernen som en burrito. Forskerne fant at Al-innholdet i dette GaN/AlGaN-skallet gradvis minket fra elektroninjeksjonssiden av nanotrådene til hullinjeksjonssiden. På grunn av forskjellen i de interne polarisasjonsfeltene til GaN og AlN, induserer en slik volumgradient av Al-innhold i AlGaN-laget frie elektroner, som lett strømmer inn i MQW-kjernen og lindrer fargestabiliteten ved å redusere polarisasjonsfeltet.
Faktisk har forskerne funnet ut at for enheter med en diameter på mindre enn én mikron, forblir toppbølgelengden til elektroluminescens, eller strømindusert lysutslipp, konstant i en størrelsesorden av endringen i strøminjeksjon. I tillegg har professor Mis team tidligere utviklet en metode for å dyrke GaN-belegg av høy kvalitet på silisium for å dyrke nanotråd-LED-er på silisium. Dermed sitter en µLED på et Si-substrat, klar for integrering med annen CMOS-elektronikk.
Denne µLED-en har lett mange potensielle bruksområder. Enhetsplattformen vil bli mer robust etter hvert som emisjonsbølgelengden til den integrerte RGB-skjermen på brikken utvides til rødt.
Publisert: 10. januar 2023