A hagyományos LED forradalmasította a világítástechnika és a kijelzők területét a hatékonyság, a stabilitás és az eszközméret tekintetében mutatott kiváló teljesítményüknek köszönhetően. A LED-ek jellemzően vékony félvezető filmek, amelyek oldalirányú méretei milliméterben vannak, ami jóval kisebb, mint a hagyományos eszközöké, például az izzólámpáké és a katódcsöveké. Az olyan feltörekvő optoelektronikai alkalmazások, mint a virtuális és a kiterjesztett valóság, azonban mikron vagy annál kisebb méretű LED-eket igényelnek. A remény az, hogy a mikro- vagy szubmikron méretű LED-ek (µLED-ek) továbbra is számos olyan kiváló tulajdonsággal rendelkeznek, mint a hagyományos LED-ek, mint például a rendkívül stabil emisszió, a nagy hatékonyság és fényerő, az ultra alacsony energiafogyasztás és a teljes színárnyalatú emisszió, miközben körülbelül egymilliószor kisebb területűek, ami lehetővé teszi a kompaktabb kijelzők létrehozását. Az ilyen LED-chipek utat nyithatnak a nagyobb teljesítményű fotonikus áramkörök előtt is, ha egyetlen chipben Si-on növeszthetők, és komplementer fém-oxid félvezető (CMOS) elektronikával integrálhatók.
Azonban az ilyen µLED-ek eddig elérhetetlenek maradtak, különösen a zöldtől a vörösig terjedő emissziós hullámhossztartományban. A hagyományos LED-es µ-LED-es megközelítés egy felülről lefelé irányuló folyamat, amelyben InGaN kvantumkút (QW) filmeket maratnak mikroméretű eszközökbe egy marási eljárással. Míg a vékonyrétegű InGaN QW alapú tio2 µLED-ek nagy figyelmet kaptak az InGaN számos kiváló tulajdonsága miatt, mint például a hatékony töltéshordozó-szállítás és a hullámhossz-hangolhatóság a látható tartományban, eddig olyan problémákkal küzdöttek, mint az oldalfalak korróziós károsodása, amely az eszköz méretének csökkenésével súlyosbodik. Ezenkívül a polarizációs mezők megléte miatt hullámhossz/szín instabilitásuk van. Erre a problémára nem poláris és félpoláris InGaN, valamint fotonikus kristályüreg-megoldásokat javasoltak, de ezek jelenleg nem kielégítőek.
A Light Science and Applications folyóiratban megjelent új tanulmányban a Michigani Egyetem professzora, Zetian Mi vezetésével a kutatók egy szubmikronos méretű zöld LED-et (iii-nitrid) fejlesztettek ki, amely végleg leküzdi ezeket az akadályokat. Ezeket a µLED-eket szelektív regionális plazma-támogatású molekulasugaras epitaxiával szintetizálták. A hagyományos felülről lefelé irányuló megközelítéssel éles ellentétben a µLED itt nanohuzalok tömbjéből áll, amelyek mindegyike mindössze 100-200 nm átmérőjű, és több tíz nanométer választja el őket egymástól. Ez az alulról felfelé irányuló megközelítés lényegében elkerüli az oldalsó fal korróziós károsodását.
Az eszköz fénykibocsátó része, más néven aktív régió, mag-héj többszörös kvantumkút (MQW) struktúrákból áll, amelyeket nanodrót morfológia jellemez. Az MQW konkrétan az InGaN kútból és az AlGaN gátból áll. A III. csoportú elemek (indium, gallium és alumínium) adszorbeált atommigrációjának eltérései miatt az oldalfalakon azt tapasztaltuk, hogy az indium hiányzik a nanodrótok oldalfalain, ahol a GaN/AlGaN héj burritoszerűen körülvette az MQW magot. A kutatók azt találták, hogy a GaN/AlGaN héj Al-tartalma fokozatosan csökkent a nanodrótok elektronbefecskendezési oldalától a lyukbefecskendezési oldal felé. A GaN és az AlN belső polarizációs mezőinek különbsége miatt az Al-tartalom ilyen térfogatgradiense az AlGaN rétegben szabad elektronokat indukál, amelyek könnyen beáramlanak az MQW magba, és a polarizációs mező csökkentésével enyhítik a szín instabilitást.
Valójában a kutatók azt találták, hogy az egy mikronnál kisebb átmérőjű eszközök esetében az elektrolumineszcencia, vagyis az áram által indukált fénykibocsátás csúcshullámhossza nagyságrendileg állandó marad az árambefecskendezés változásának megfelelően. Ezenkívül Mi professzor csapata korábban kifejlesztett egy módszert kiváló minőségű GaN bevonatok szilíciumon történő növesztésére, hogy nanohuzal LED-eket lehessen növeszteni szilíciumon. Így egy µLED egy Si hordozón helyezkedik el, amely készen áll a más CMOS elektronikával való integrációra.
Ennek a µLED-nek könnyen számos potenciális alkalmazása van. Az eszközplatform egyre robusztusabbá válik, ahogy a chipre integrált RGB kijelző emissziós hullámhossza vörösre bővül.
Közzététel ideje: 2023. január 10.