Tradicionalne LED diode so zaradi svoje vrhunske učinkovitosti, stabilnosti in velikosti naprave revolucionirale področje razsvetljave in prikazovanja. LED diode so običajno skladi tankih polprevodniških filmov s stranskimi dimenzijami v milimetrih, kar je veliko manj kot pri tradicionalnih napravah, kot so žarnice z žarilno nitko in katodne cevi. Vendar pa nove optoelektronske aplikacije, kot sta virtualna in obogatena resničnost, zahtevajo LED diode velikosti mikronov ali manj. Upamo, da bodo mikro- ali submikronske LED diode (µLED) še naprej imele številne vrhunske lastnosti, ki jih tradicionalne LED diode že imajo, kot so zelo stabilna emisija, visoka učinkovitost in svetlost, izjemno nizka poraba energije in emisija v polnih barvah, hkrati pa so približno milijonkrat manjše po površini, kar omogoča bolj kompaktne zaslone. Takšni LED čipi bi lahko utrli pot tudi za zmogljivejša fotonska vezja, če bi jih bilo mogoče vzgojiti v enem samem čipu na Si in integrirati s komplementarno elektroniko kovinsko-oksidnih polprevodnikov (CMOS).
Vendar pa so takšne µLED diode doslej ostale nedosegljive, zlasti v območju valovnih dolžin zelene do rdeče emisije. Tradicionalni pristop z µ-LED diodami je postopek od zgoraj navzdol, pri katerem se filmi kvantnih jamic (QW) InGaN vrezujejo v mikro naprave s postopkom jedkanja. Čeprav so tankoplastne tio2 µLED diode na osnovi InGaN QW pritegnile veliko pozornosti zaradi številnih odličnih lastnosti InGaN, kot sta učinkovit transport nosilcev in nastavljivost valovne dolžine v celotnem vidnem območju, so jih do sedaj pestile težave, kot je korozija stranskih sten, ki se poslabša z zmanjševanjem velikosti naprave. Poleg tega imajo zaradi obstoja polarizacijskih polj nestabilnost valovne dolžine/barve. Za ta problem so bile predlagane nepolarne in polpolarne rešitve InGaN ter fotonskih kristalnih votlin, vendar trenutno niso zadovoljive.
V novem članku, objavljenem v reviji Light Science and Applications, so raziskovalci pod vodstvom Zetiana Mija, profesorja na Univerzi v Michiganu v Annabelu, razvili submikronsko zeleno LED iii-nitrid, ki enkrat za vselej premaga te ovire. Te µLED diode so bile sintetizirane s selektivno regionalno plazemsko podprto molekularno žarkovno epitaksijo. V ostrem nasprotju s tradicionalnim pristopom od zgoraj navzdol je tukaj µLED sestavljen iz niza nanožic, vsaka s premerom le od 100 do 200 nm, ločenih z več deset nanometri. Ta pristop od spodaj navzgor v bistvu preprečuje poškodbe stranskih sten zaradi korozije.
Svetlobni del naprave, znan tudi kot aktivno območje, je sestavljen iz struktur z več kvantnimi jamicami (MQW) z jedrom in lupino, za katere je značilna morfologija nanožic. MQW je sestavljena predvsem iz jamice InGaN in pregrade AlGaN. Zaradi razlik v migraciji adsorbiranih atomov elementov III. skupine, indija, galija in aluminija, na stranskih stenah smo ugotovili, da na stranskih stenah nanožic, kjer lupina GaN/AlGaN ovija jedro MQW kot burrito, indija manjka. Raziskovalci so ugotovili, da se vsebnost Al v tej lupini GaN/AlGaN postopoma zmanjšuje od strani nanožic, kjer je v nanožice vbrizgana elektrona, do strani, kjer je vbrizgana luknja. Zaradi razlike v notranjih polarizacijskih poljih GaN in AlN takšen volumski gradient vsebnosti Al v plasti AlGaN inducira proste elektrone, ki zlahka prehajajo v jedro MQW in blažijo barvno nestabilnost z zmanjšanjem polarizacijskega polja.
Pravzaprav so raziskovalci ugotovili, da pri napravah s premerom manj kot en mikron največja valovna dolžina elektroluminiscence oziroma emisije svetlobe, ki jo inducira tok, ostane konstantna za velikostni red spremembe vbrizganega toka. Poleg tega je ekipa profesorja Mija že razvila metodo za gojenje visokokakovostnih GaN prevlek na siliciju za gojenje nanožičnih LED diod na siliciju. Tako se µLED nahaja na Si substratu in je pripravljen za integracijo z drugo CMOS elektroniko.
Ta µLED ima zlahka veliko potencialnih aplikacij. Platforma naprave bo postala robustnejša, ko se bo valovna dolžina emisije integriranega RGB zaslona na čipu razširila v rdečo.
Čas objave: 10. januar 2023