Традиційні світлодіоди революціонізували сферу освітлення та дисплеїв завдяки своїй чудовій продуктивності з точки зору ефективності, стабільності та розміру пристрою. Світлодіоди зазвичай являють собою стопки тонких напівпровідникових плівок з поперечними розмірами в міліметри, що набагато менше, ніж у традиційних пристроїв, таких як лампи розжарювання та катодні трубки. Однак нові оптоелектронні застосування, такі як віртуальна та доповнена реальність, вимагають світлодіодів розміром у мікрони або менше. Існує надія, що світлодіоди мікро- або субмікроннего масштабу (µleds) продовжуватимуть мати багато чудових якостей, які вже мають традиційні світлодіоди, такі як високостабільне випромінювання, висока ефективність та яскравість, наднизьке енергоспоживання та повнокольорове випромінювання, при цьому вони приблизно в мільйон разів менші за площею, що дозволяє створювати компактніші дисплеї. Такі світлодіодні чіпи також можуть прокласти шлях для потужніших фотонних схем, якщо їх можна буде вирощувати на одному кристалі на кремнії та інтегрувати з комплементарною металоксидно-напівпровідниковою (CMOS) електронікою.
Однак, досі такі мікросвітлодіоди залишаються малодосяжними, особливо в діапазоні довжин хвиль випромінювання від зеленого до червоного. Традиційний світлодіодний мікросвітлодіодний підхід являє собою низхідний процес, в якому плівки з квантовими ямами (КЯ) InGaN протравлюються в мікророзмірні пристрої за допомогою процесу травлення. Хоча тонкоплівкові мікросвітлодіоди TiO2 на основі КЯ InGaN привернули значну увагу завдяки багатьом чудовим властивостям InGaN, таким як ефективне перенесення носіїв заряду та налаштування довжини хвилі в усьому видимому діапазоні, досі вони стикалися з такими проблемами, як пошкодження бічних стінок корозією, яке погіршується зі зменшенням розміру пристрою. Крім того, через існування поляризаційних полів вони мають нестабільність довжини хвилі/кольору. Для цієї проблеми були запропоновані неполярні та напівполярні рішення InGaN та резонатори фотонних кристалів, але наразі вони не є задовільними.
У новій статті, опублікованій у журналі Light Science and Applications, дослідники під керівництвом Зетіана Мі, професора Мічиганського університету в Аннабелі, розробили субмікронний зелений світлодіод iii-нітрид, який раз і назавжди долає ці перешкоди. Ці мікросвітлодіоди були синтезовані за допомогою селективної регіональної плазмоактивованої молекулярно-променевої епітаксії. На відміну від традиційного низхідного підходу, представлений тут мікросвітлодіод складається з масиву нанодротів, кожен діаметром лише від 100 до 200 нм, розділених десятками нанометрів. Такий висхідний підхід по суті дозволяє уникнути пошкодження бічних стінок корозією.
Світловипромінююча частина пристрою, також відома як активна область, складається зі структур типу ядро-оболонка з кількома квантовими ямами (MQW), що характеризуються морфологією нанодротів. Зокрема, MQW складається з ями InGaN та бар'єру AlGaN. Через відмінності в міграції адсорбованих атомів елементів III групи індію, галію та алюмінію на бічних стінках, ми виявили, що індій відсутній на бічних стінках нанодротів, де оболонка GaN/AlGaN огортає ядро MQW, як буріто. Дослідники виявили, що вміст Al в цій оболонці GaN/AlGaN поступово зменшується від сторони інжекції електронів нанодротів до сторони інжекції дірок. Через різницю у внутрішніх полях поляризації GaN та AlN, такий градієнт об'єму вмісту Al в шарі AlGaN індукує вільні електрони, які легко перетікають у ядро MQW та пом'якшують нестабільність кольору, зменшуючи поле поляризації.
Фактично, дослідники виявили, що для пристроїв діаметром менше одного мікрона пікова довжина хвилі електролюмінесценції, або випромінювання світла, індукованого струмом, залишається постійною на порядок величини зміни струму введення. Крім того, команда професора Мі раніше розробила метод вирощування високоякісних покриттів GaN на кремнії для вирощування нанодротяних світлодіодів на кремнії. Таким чином, мікросвітлодіод розміщується на кремнієвій підкладці, готовий до інтеграції з іншою CMOS-електронікою.
Цей мікросвітлодіод легко має багато потенційних застосувань. Платформа пристрою стане більш надійною, оскільки довжина хвилі випромінювання інтегрованого RGB-дисплея на чіпі розшириться до червоного.
Час публікації: 10 січня 2023 р.