Традиционните светодиоди революционизираха областта на осветлението и дисплеите благодарение на превъзходните си характеристики по отношение на ефективност, стабилност и размер на устройството. Светодиодите обикновено са стекове от тънки полупроводникови филми с странични размери от милиметри, много по-малки от традиционните устройства като лампи с нажежаема жичка и катодни тръби. Въпреки това, нововъзникващите оптоелектронни приложения, като виртуалната и добавената реалност, изискват светодиоди с размер от микрони или по-малко. Надеждата е, че микро- или субмикронните светодиоди (µLED) ще продължат да притежават много от превъзходните качества, които традиционните светодиоди вече притежават, като например високостабилна емисия, висока ефективност и яркост, ултраниска консумация на енергия и пълноцветна емисия, като същевременно са около милион пъти по-малки по площ, което позволява по-компактни дисплеи. Такива светодиодни чипове биха могли също да проправят пътя за по-мощни фотонни схеми, ако могат да бъдат отглеждани като един чип върху Si и интегрирани с комплементарна металоксидно-полупроводникова (CMOS) електроника.
Въпреки това, досега такива µLED остават труднодостъпни, особено в диапазона на дължините на вълните на емисия от зелено до червено. Традиционният led µ-LED подход е процес „отгоре надолу“, при който InGaN квантови ями (QW) филми се ецват в микромащабни устройства чрез процес на ецване. Докато тънкослойните InGaN QW-базирани tio2 µLED привличат много внимание поради много от отличните свойства на InGaN, като например ефективен транспорт на носителите и настройваемост на дължината на вълната в целия видим диапазон, досега те са били измъчвани от проблеми като корозионно увреждане на страничните стени, което се влошава с намаляването на размера на устройството. Освен това, поради наличието на поляризационни полета, те имат нестабилност на дължината на вълната/цвята. За този проблем са предложени неполярни и полуполярни InGaN и фотонно-кристални решения, но те понастоящем не са задоволителни.
В нова статия, публикувана в Light Science and Applications, изследователи, ръководени от Зетиан Ми, професор в Мичиганския университет в Анабел, са разработили зелен светодиод iii-nitrid в субмикронен мащаб, който преодолява тези препятствия веднъж завинаги. Тези µled са синтезирани чрез селективна регионална плазмено-асистирана молекулярно-лъчева епитаксия. В рязък контраст с традиционния подход „отгоре надолу“, тук µled се състои от масив от наножици, всяка с диаметър само от 100 до 200 nm, разделени от десетки нанометри. Този подход „отдолу нагоре“ по същество избягва увреждане от корозия на страничните стени.
Светоизлъчващата част на устройството, известна още като активна област, е съставена от структури с множество квантови яма (MQW) тип „ядро-обвивка“, характеризиращи се с морфология на нанопроводниците. По-специално, MQW се състои от ямката InGaN и бариерата AlGaN. Поради разликите в миграцията на адсорбираните атоми на елементите от III група - индий, галий и алуминий - по страничните стени, открихме, че индий липсва по страничните стени на нанопроводниците, където обвивката GaN/AlGaN обгръща ядрото на MQW като бурито. Изследователите установиха, че съдържанието на Al в тази GaN/AlGaN обвивка намалява постепенно от страната на инжектиране на електрони в нанопроводниците до страната на инжектиране на дупки. Поради разликата във вътрешните поляризационни полета на GaN и AlN, такъв обемен градиент на съдържанието на Al в слоя AlGaN индуцира свободни електрони, които лесно преминават в ядрото на MQW и облекчават нестабилността на цвета чрез намаляване на поляризационното поле.
Всъщност, изследователите са установили, че за устройства с диаметър по-малък от един микрон, пиковата дължина на вълната на електролуминесценцията, или индуцираната от ток светлинна емисия, остава постоянна с порядъка на промяната в инжектирания ток. Освен това, екипът на професор Ми вече е разработил метод за отглеждане на висококачествени GaN покрития върху силиций, за да се отглеждат нанопроводни светодиоди върху силиций. По този начин, микросветодиодът се поставя върху Si субстрат, готов за интегриране с друга CMOS електроника.
Този микродиод лесно има много потенциални приложения. Платформата на устройството ще стане по-стабилна, тъй като дължината на вълната на излъчване на интегрирания RGB дисплей на чипа се разширява до червено.
Време на публикуване: 10 януари 2023 г.