Tradicionalne LED diode su revolucionirale područje rasvjete i displeja zbog svojih superiornih performansi u smislu efikasnosti, stabilnosti i veličine uređaja. LED diode su obično složene tanke poluprovodničke folije s lateralnim dimenzijama od milimetara, mnogo manjim od tradicionalnih uređaja kao što su žarulje sa žarnom niti i katodne cijevi. Međutim, nove optoelektronske primjene, poput virtualne i proširene stvarnosti, zahtijevaju LED diode veličine mikrona ili manje. Nada je da će mikro ili submikronske LED diode (µLED) i dalje imati mnoge superiorne kvalitete koje tradicionalne LED diode već imaju, kao što su visoko stabilna emisija, visoka efikasnost i svjetlina, ultra niska potrošnja energije i emisija u punoj boji, a istovremeno su oko milion puta manje površine, što omogućava kompaktnije displeje. Takvi LED čipovi mogli bi utrti put i snažnijim fotonskim kolima ako se mogu uzgajati kao pojedinačni čip na Si i integrirati s komplementarnom metal-oksid-poluprovodničkom (CMOS) elektronikom.
Međutim, do sada su takve µLED diode ostale nedostižne, posebno u rasponu valnih duljina emisije od zelene do crvene. Tradicionalni LED µ-LED pristup je proces od vrha prema dolje u kojem se filmovi kvantnih jama (QW) InGaN urezuju u mikrorazmjerne uređaje putem procesa nagrizanja. Iako su tankoslojne InGaN QW bazirane tio2 µLED diode privukle mnogo pažnje zbog mnogih odličnih svojstava InGaN-a, kao što su efikasan transport nosioca i mogućnost podešavanja valne duljine u cijelom vidljivom rasponu, do sada su ih mučili problemi poput oštećenja od korozije bočnih stijenki koje se pogoršava kako se veličina uređaja smanjuje. Osim toga, zbog postojanja polarizacijskih polja, imaju nestabilnost valne duljine/boje. Za ovaj problem predložena su nepolarna i polupolarna InGaN i rješenja za šupljine fotonskih kristala, ali ona trenutno nisu zadovoljavajuća.
U novom radu objavljenom u časopisu Light Science and Applications, istraživači predvođeni Zetianom Mijem, profesorom na Univerzitetu Michigan u Annabelu, razvili su zelenu LED diodu III-nitrida submikronskih razmjera koja jednom zauvijek prevazilazi ove prepreke. Ove µLED diode su sintetizirane selektivnom regionalnom epitaksijom molekularnog snopa potpomognutom plazmom. U oštroj suprotnosti s tradicionalnim pristupom odozgo prema dolje, ovdje µLED se sastoji od niza nanožica, svaka promjera samo 100 do 200 nm, razdvojenih desetinama nanometara. Ovaj pristup odozdo prema gore u suštini izbjegava oštećenja bočnih zidova od korozije.
Dio uređaja koji emitira svjetlost, poznat i kao aktivno područje, sastoji se od struktura višestrukih kvantnih jama (MQW) s jezgrom i ljuskom, koje karakterizira morfologija nanostruktura. MQW se sastoji od InGaN jama i AlGaN barijere. Zbog razlika u migraciji adsorbiranih atoma elemenata III grupe, indija, galija i aluminija, na bočnim zidovima, otkrili smo da indij nedostaje na bočnim zidovima nanostruktura, gdje GaN/AlGaN ljuska obavija MQW jezgru poput burrita. Istraživači su otkrili da se sadržaj Al u ovoj GaN/AlGaN ljusci postepeno smanjuje od strane ubrizgavanja elektrona u nanostrukture do strane ubrizgavanja šupljina. Zbog razlike u unutrašnjim polarizacijskim poljima GaN i AlN, takav gradijent volumena sadržaja Al u AlGaN sloju inducira slobodne elektrone, koji lako teku u MQW jezgru i ublažavaju nestabilnost boje smanjenjem polarizacijskog polja.
U stvari, istraživači su otkrili da za uređaje manje od jednog mikrona u promjeru, vršna talasna dužina elektroluminiscencije, ili emisije svjetlosti indukovane strujom, ostaje konstantna za red veličine promjene ubrizgavanja struje. Osim toga, tim profesora Mija je prethodno razvio metodu za uzgoj visokokvalitetnih GaN premaza na silicijumu kako bi uzgojio nano-žičane LED diode na silicijumu. Na taj način, µLED se nalazi na Si podlozi i spreman je za integraciju s drugom CMOS elektronikom.
Ovaj µLED lako ima mnogo potencijalnih primjena. Platforma uređaja će postati robusnija kako se talasna dužina emisije integrisanog RGB displeja na čipu bude širila ka crvenoj.
Vrijeme objave: 10. januar 2023.