Традиційні світлодіоди революціонізували сферу освітлення та дисплеїв завдяки своїм чудовим характеристикам з точки зору ефективності.

Традиційні світлодіоди зробили революцію в галузі освітлення та дисплеїв завдяки їхнім чудовим характеристикам щодо ефективності, стабільності та розміру пристрою.Світлодіоди зазвичай являють собою пакети тонких напівпровідникових плівок із поперечними розмірами в міліметри, набагато меншими, ніж традиційні пристрої, такі як лампи розжарювання та катодні трубки.Однак нові оптоелектронні програми, такі як віртуальна та доповнена реальність, вимагають світлодіодів розміром до мікронів або менше.Є надія, що світлодіоди мікро- або субмікронного масштабу (µleds) продовжуватимуть мати багато переваг, які вже мають традиційні світлодіоди, такі як високостабільне випромінювання, висока ефективність і яскравість, наднизьке енергоспоживання та повноколірне випромінювання, при цьому він приблизно в мільйон разів менший за площею, що дозволяє використовувати більш компактні дисплеї.Такі світлодіодні чіпи також можуть прокласти шлях до більш потужних фотонних схем, якщо їх можна виростити однокристальними на Si та інтегрувати з комплементарною електронікою на основі оксидів металів (CMOS).

Однак поки що такі світлодіоди залишаються невловимими, особливо в діапазоні довжин хвиль випромінювання від зеленого до червоного.Традиційний підхід зі світлодіодами µ-led — це процес «згори вниз», у якому плівки з квантовою ямою (QW) InGaN витравлюються на мікророзмірних пристроях за допомогою процесу травлення.У той час як тонкоплівкові світлодіоди tio2 на основі QW на основі InGaN привернули багато уваги завдяки багатьом чудовим властивостям InGaN, таким як ефективний транспорт носія та можливість налаштування довжини хвилі у всьому видимому діапазоні, дотепер їх мучили проблеми, такі як бічна стінка пошкодження від корозії, яке посилюється зі зменшенням розміру пристрою.Крім того, через існування полів поляризації вони мають нестабільність довжини хвилі/кольору.Для цієї проблеми були запропоновані неполярні та напівполярні рішення InGaN і фотонні кристалічні порожнини, але наразі вони не є задовільними.

У новій статті, опублікованій у Light Science and Applications, дослідники під керівництвом Зетіана Мі, професора Мічиганського університету Аннабель, розробили субмікронний зелений світлодіод iii – нітрид, який долає ці перешкоди раз і назавжди.Ці світлодіоди були синтезовані селективною регіональною епітаксією з молекулярним променем за допомогою плазми.На відміну від традиційного підходу зверху вниз, µled тут складається з масиву нанодротів, кожен діаметром лише від 100 до 200 нм, розділених десятками нанометрів.Цей підхід «знизу вгору» фактично дозволяє уникнути корозійного пошкодження бічних стінок.

Світловипромінювальна частина пристрою, також відома як активна область, складається зі структур ядро-оболонка з кількома квантовими ямами (MQW), що характеризуються морфологією нанодроту.Зокрема, MQW складається з ями InGaN і бар’єру AlGaN.Через відмінності в міграції адсорбованих атомів елементів III групи індія, галію та алюмінію на бічних стінках ми виявили, що індій був відсутній на бічних стінках нанодротів, де оболонка GaN/AlGaN обгортала ядро ​​MQW, як буріто.Дослідники виявили, що вміст Al в цій оболонці GaN/AlGaN поступово зменшувався від сторони інжекції електронів нанодротів до сторони інжекції дірок.Через різницю у внутрішніх поляризаційних полях GaN та AlN такий об’ємний градієнт вмісту Al у шарі AlGaN індукує вільні електрони, які легко проникають у ядро ​​MQW і зменшують нестабільність кольору, зменшуючи поле поляризації.

Насправді дослідники виявили, що для пристроїв діаметром менше одного мікрона пікова довжина хвилі електролюмінесценції або світлового випромінювання, викликаного струмом, залишається незмінною на порядок величини зміни струму.Крім того, команда професора Мі раніше розробила метод вирощування високоякісних покриттів GaN на кремнії для вирощування нанодротяних світлодіодів на кремнії.Таким чином, µled розташовується на кремнієвій підкладці, готовій для інтеграції з іншою електронікою CMOS.

Цей µled легко має багато потенційних застосувань.Платформа пристрою стане більш надійною, оскільки довжина хвилі випромінювання інтегрованого RGB-дисплея на чіпі розшириться до червоного.