Traditionele LED heeft een revolutie teweeggebracht op het gebied van verlichting en weergave vanwege 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 virtuele en augmented reality, vereisen echter LED's ter grootte van microns of minder. De hoop is dat LED's (μleds) op micro- of submicronschaal veel van de superieure eigenschappen blijven hebben die traditionele leds al hebben, zoals zeer stabiele emissie, hoge efficiëntie en helderheid, ultralaag stroomverbruik en full-color emissie. terwijl het qua oppervlakte ongeveer een miljoen keer kleiner is, waardoor compactere beeldschermen mogelijk zijn. Dergelijke led-chips zouden ook de weg kunnen vrijmaken voor krachtigere fotonische circuits als ze op één chip op Si kunnen worden gekweekt en kunnen worden geïntegreerd met complementaire metaaloxide-halfgeleiderelektronica (CMOS).
Tot nu toe zijn dergelijke µleds echter ongrijpbaar gebleven, vooral in het groene tot rode emissiegolflengtebereik. De traditionele led µ-led-benadering is een top-downproces waarbij InGaN quantum well (QW)-films via een etsproces in apparaten op microschaal worden geëtst. Hoewel op dunne-film InGaN QW gebaseerde tio2 µleds veel aandacht hebben getrokken vanwege veel van de uitstekende eigenschappen van InGaN, zoals efficiënt dragertransport en golflengte-afstemming over het gehele zichtbare bereik, werden ze tot nu toe geplaagd door problemen zoals zijwand- en corrosieschade die verergert naarmate de grootte van het apparaat kleiner wordt. Bovendien hebben ze, vanwege het bestaan van polarisatievelden, een golflengte-/kleurinstabiliteit. Voor dit probleem zijn niet-polaire 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, een professor aan de Universiteit van Michigan, Annabel, een groene LED iii-nitride op submicronschaal ontwikkeld die deze obstakels voor eens en voor altijd overwint. Deze µleds werden gesynthetiseerd door selectieve regionale plasma-ondersteunde moleculaire bundelepitaxie. In schril contrast met de traditionele top-down benadering bestaat de µled hier uit een reeks nanodraden, elk slechts 100 tot 200 nm in diameter, gescheiden door tientallen nanometers. Deze bottom-up benadering vermijdt in wezen schade aan de laterale wandcorrosie.
Het lichtgevende deel van het apparaat, ook bekend als het actieve gebied, bestaat uit core-shell multiple quantum well (MQW)-structuren die worden gekenmerkt door de morfologie van nanodraden. De MQW bestaat in het bijzonder uit de InGaN-put en de AlGaN-barrière. Vanwege verschillen in geadsorbeerde atoommigratie van de Groep III-elementen indium, gallium en aluminium op de zijwanden, ontdekten we dat indium ontbrak op de zijwanden van de nanodraden, waar de GaN/AlGaN-schaal 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. Vanwege 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 verlichten door het polarisatieveld te verminderen.
In feite hebben de onderzoekers ontdekt dat voor apparaten met een diameter van minder dan één micron de piekgolflengte van elektroluminescentie, of 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 nanodraad-leds op silicium te laten groeien. Een µled zit dus op een Si-substraat, klaar voor integratie met andere CMOS-elektronica.
Deze µled heeft gemakkelijk veel toepassingsmogelijkheden. Het apparaatplatform zal robuuster worden naarmate de emissiegolflengte van het geïntegreerde RGB-display op de chip groter wordt naar rood.
Posttijd: 10 januari 2023