Traditionele LED's hebben een revolutie teweeggebracht in de verlichtings- en display-industrie dankzij hun superieure prestaties op het gebied van efficiëntie, stabiliteit en apparaatgrootte. LED's zijn doorgaans stapels dunne halfgeleiderfilms met laterale afmetingen van millimeters, veel kleiner dan traditionele apparaten zoals gloeilampen en kathodebuizen. Opkomende opto-elektronische toepassingen, zoals virtual reality en augmented reality, vereisen echter LED's met een grootte van micrometers of kleiner. De hoop is dat LED's op micro- of submicrometerschaal (µleds) veel van de superieure eigenschappen behouden die traditionele leds al hebben, zoals zeer stabiele emissie, hoge efficiëntie en helderheid, extreem laag energieverbruik en volledige kleuremissie, terwijl ze ongeveer een miljoen keer kleiner zijn in oppervlakte, wat compactere displays mogelijk maakt. Dergelijke ledchips zouden ook de weg kunnen vrijmaken voor krachtigere fotonische circuits als ze als een enkele chip op Si kunnen worden geproduceerd en kunnen worden geïntegreerd met CMOS-elektronica (Complementary Metal Oxide Semiconductor).
Tot nu toe zijn dergelijke µleds echter ongrijpbaar gebleven, vooral in het groene tot rode emissiegolflengtebereik. De traditionele µled-aanpak is een top-downproces waarbij InGaN quantum well (QW)-films via een etsproces tot microscopische apparaten worden geëtst. Hoewel dunne-film InGaN QW-gebaseerde tio2 µleds veel aandacht hebben getrokken vanwege de vele uitstekende eigenschappen van InGaN, zoals efficiënt ladingstransport en golflengte-afstembaarheid in het zichtbare bereik, werden ze tot nu toe geplaagd door problemen zoals corrosieschade aan de zijwand, die verergert naarmate de apparaatgrootte afneemt. Bovendien hebben ze door het bestaan van polarisatievelden een golflengte-/kleurinstabiliteit. Voor dit probleem zijn apolaire en semi-polaire InGaN- en fotonische kristalholte-oplossingen voorgesteld, maar deze zijn momenteel niet bevredigend.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Light Science and Applications hebben onderzoekers onder leiding van Zetian Mi, hoogleraar aan de Universiteit van Michigan in Annabel, een groene LED iii-nitride op submicronschaal ontwikkeld die deze obstakels voorgoed overwint. Deze µleds werden gesynthetiseerd door middel van selectieve regionale plasma-geassisteerde moleculaire bundelepitaxie. In schril contrast met de traditionele top-downbenadering bestaat de µled hier uit een matrix van nanodraden, elk met een diameter van slechts 100 tot 200 nm, die tientallen nanometers van elkaar verwijderd zijn. Deze bottom-upbenadering voorkomt in wezen corrosieschade aan de zijwand.
Het lichtgevende deel van het apparaat, ook wel het actieve gebied genoemd, bestaat uit kern-schil multiple quantum well (MQW) structuren die gekenmerkt worden door nanodraadmorfologie. De MQW bestaat met name uit de InGaN-put en de AlGaN-barrière. Door verschillen in geadsorbeerde atoommigratie van de Groep III-elementen indium, gallium en aluminium aan de zijwanden, ontdekten we dat indium ontbrak aan de zijwanden van de nanodraden, waar de GaN/AlGaN-schil de MQW-kern als een burrito omhulde. De onderzoekers ontdekten dat het Al-gehalte van deze GaN/AlGaN-schil geleidelijk afnam van de elektroneninjectiezijde van de nanodraden naar de gateninjectiezijde. Door het verschil in de interne polarisatievelden van GaN en AlN induceert een dergelijke volumegradiënt van het Al-gehalte in de AlGaN-laag vrije elektronen, die gemakkelijk in de MQW-kern kunnen stromen en de kleurinstabiliteit verminderen door het polarisatieveld te verminderen.
De onderzoekers hebben ontdekt dat voor apparaten met een diameter kleiner dan één micron de piekgolflengte van elektroluminescentie, oftewel stroomgeïnduceerde lichtemissie, constant blijft in een orde van grootte van de verandering in stroominjectie. Bovendien heeft het team van professor Mi eerder een methode ontwikkeld voor het kweken van hoogwaardige GaN-coatings op silicium, om nanodraadleds op silicium te laten groeien. Zo bevindt een µled zich op een Si-substraat, klaar voor integratie met andere CMOS-elektronica.
Deze µled heeft vele potentiële toepassingen. Het apparaatplatform wordt robuuster naarmate de emissiegolflengte van het geïntegreerde RGB-scherm op de chip uitbreidt naar rood.
Geplaatst op: 10-01-2023