Traditionele LED's hebben een revolutie teweeggebracht in de wereld van verlichting en beeldschermen dankzij hun superieure prestaties op het gebied van efficiëntie, stabiliteit en compactheid. LED's bestaan doorgaans uit stapels dunne halfgeleiderfilms met afmetingen van enkele 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 afmeting van micrometers of kleiner. De hoop is dat micro- of submicron-LED's (µLED's) veel van de superieure eigenschappen van traditionele LED's zullen behouden, zoals een zeer stabiele emissie, hoge efficiëntie en helderheid, een ultralaag energieverbruik en volledige kleurweergave, terwijl ze ongeveer een miljoen keer kleiner zijn, waardoor compactere beeldschermen mogelijk worden. Dergelijke LED-chips zouden ook de weg kunnen banen voor krachtigere fotonische circuits als ze als een enkele chip op silicium kunnen worden gekweekt en geïntegreerd met CMOS-elektronica (complementary metal oxide semiconductor).
Tot nu toe zijn dergelijke µleds echter nog niet gerealiseerd, met name in het golflengtebereik van groen tot rood. De traditionele benadering voor µleds is een top-down proces waarbij InGaN-kwantumputfilms door middel van etsproces in micro-apparaten worden geëtst. Hoewel op dunne InGaN-kwantumputten gebaseerde µleds veel aandacht hebben getrokken vanwege de vele uitstekende eigenschappen van InGaN, zoals efficiënt ladingsdragerstransport en afstembaarheid van de golflengte over het gehele zichtbare spectrum, kampen ze tot nu toe met problemen zoals corrosieschade aan de zijwanden, die verergert naarmate de apparaatgrootte afneemt. Bovendien vertonen ze, vanwege de aanwezigheid van polarisatievelden, instabiliteit in golflengte en kleur. Voor dit probleem zijn oplossingen met niet-polaire en semi-polaire InGaN- en fotonische kristalholtes voorgesteld, maar deze zijn momenteel nog 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, Annabel, een groene LED op submicronniveau ontwikkeld – iii – nitride die deze obstakels voorgoed overwint. Deze µleds werden gesynthetiseerd door middel van 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 voorkomt in wezen schade door corrosie aan de zijwanden.
Het lichtemitterende deel van het apparaat, ook wel het actieve gebied genoemd, bestaat uit core-shell multiple quantum well (MQW)-structuren met een nanodraadachtige morfologie. De MQW bestaat met name uit een InGaN-put en een AlGaN-barrière. Door verschillen in de migratie van geadsorbeerde atomen van de elementen indium, gallium en aluminium uit Groep III op de zijwanden, bleek dat indium ontbrak op 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 naar de MQW-kern kunnen stromen en de kleurinstabiliteit verminderen door het polarisatieveld te verlagen.
De onderzoekers hebben namelijk ontdekt dat voor apparaten met een diameter van minder dan één micron de piek golflengte van elektroluminescentie, oftewel stroomgeïnduceerde lichtemissie, constant blijft op een orde van grootte van de verandering in stroominjectie. Bovendien heeft het team van professor Mi eerder een methode ontwikkeld voor het laten groeien van hoogwaardige GaN-coatings op silicium om nanodraad-leds op silicium te laten groeien. Zo bevindt een µled zich op een Si-substraat, klaar voor integratie met andere CMOS-elektronica.
Deze µled heeft talloze potentiële toepassingen. Het apparaatplatform zal robuuster worden naarmate de emissiegolflengte van het geïntegreerde RGB-display op de chip wordt uitgebreid naar rood.
Geplaatst op: 10 januari 2023