Традиционният светодиод направи революция в областта на осветлението и дисплея поради превъзходното им представяне по отношение на ефективност, стабилност и размер на устройството. Светодиодите обикновено са купчини от тънки полупроводникови филми със странични размери от милиметри, много по-малки от традиционните устройства като крушки с нажежаема жичка и катодни тръби. Но нововъзникващите оптоелектронни приложения, като виртуална и разширена реалност, изискват светодиоди с размер микрони или по-малко. Надеждата е, че светодиодите с микро- или субмикронен мащаб (µleds) продължават да притежават много от превъзходните качества, които вече притежават традиционните светодиоди, като високо стабилно излъчване, висока ефективност и яркост, ултра ниска консумация на енергия и пълноцветно излъчване, като същевременно е около милион пъти по-малък по площ, което позволява по-компактни дисплеи. Такива светодиодни чипове биха могли също така да проправят пътя за по-мощни фотонни вериги, ако могат да бъдат отгледани с един чип върху Si и интегрирани с комплементарна електроника от полупроводникови метални оксиди (CMOS).
Досега обаче такива µled остават неуловими, особено в диапазона на дължината на вълната на зелено до червено излъчване. Традиционният led µ-led подход е процес отгоре надолу, при който InGaN филми с квантови ямки (QW) се гравират в микромащабни устройства чрез процес на ецване. Докато тънкослойните InGaN QW-базирани tio2 µleds привлякоха много внимание поради много от отличните свойства на InGaN, като ефективен транспорт на носителя и възможност за настройка на дължината на вълната във видимия диапазон, досега те бяха измъчвани от проблеми като страничната стена щети от корозия, които се влошават с намаляване на размера на устройството. В допълнение, поради наличието на поляризационни полета, те имат нестабилност на дължината на вълната/цвета. За този проблем са предложени решения за неполярни и полуполярни InGaN и фотонни кристални кухини, но те не са задоволителни в момента.
В нова статия, публикувана в Light Science and Applications, изследователи, ръководени от Зетиан Ми, професор в Мичиганския университет, Анабел, са разработили субмикронен зелен светодиод iii – нитрид, който преодолява тези пречки веднъж завинаги. Тези µleds бяха синтезирани чрез селективна регионална епитаксия с молекулен лъч, подпомагана от плазма. В рязък контраст с традиционния подход отгоре надолу, µled тук се състои от масив от нанопроводници, всяка от които е само 100 до 200 nm в диаметър, разделени от десетки нанометри. Този подход отдолу нагоре по същество избягва повреда от корозия на страничната стена.
Светлоизлъчващата част на устройството, известна още като активна област, е съставена от структури с множество квантови кладенци (MQW) ядро-обвивка, характеризиращи се с морфология на нанопроводници. По-специално, MQW се състои от InGaN ямка и AlGaN бариера. Поради разликите в миграцията на адсорбираните атоми на елементите от група III индий, галий и алуминий по страничните стени, открихме, че индий липсва по страничните стени на нанопроводниците, където обвивката GaN/AlGaN обвива ядрото на MQW като бурито. Изследователите установиха, че съдържанието на Al в тази GaN/AlGaN обвивка намалява постепенно от страната на инжектиране на електрони на нанопроводниците към 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 сърцевината на MQW и облекчават нестабилността на цвета чрез намаляване на поляризационното поле.
Всъщност изследователите са открили, че за устройства, по-малки от един микрон в диаметър, пиковата дължина на вълната на електролуминесценцията или предизвиканата от тока светлинна емисия остава постоянна в порядъка на промяната в инжектирането на ток. В допълнение, екипът на професор Ми е разработил преди това метод за отглеждане на висококачествени GaN покрития върху силиций за отглеждане на наножични светодиоди върху силиций. По този начин µled се намира върху Si субстрат, готов за интегриране с друга CMOS електроника.
Този µled лесно има много потенциални приложения. Платформата на устройството ще стане по-здрава, тъй като дължината на вълната на излъчване на интегрирания RGB дисплей на чипа се разширява до червено.
Време на публикуване: 10 януари 2023 г