Традиционные светодиоды произвели революцию в области освещения и отображения благодаря своим превосходным характеристикам с точки зрения эффективности, стабильности и размера устройства.Светодиоды обычно представляют собой стопки тонких полупроводниковых пленок с поперечными размерами в несколько миллиметров, что намного меньше, чем у традиционных устройств, таких как лампы накаливания и катодные трубки.Однако новые оптоэлектронные приложения, такие как виртуальная и дополненная реальность, требуют светодиодов размером в микроны или меньше.Есть надежда, что светодиоды микро- или субмикронного масштаба (мксветодиоды) продолжат обладать многими превосходными качествами, которыми уже обладают традиционные светодиоды, такими как очень стабильное излучение, высокая эффективность и яркость, сверхнизкое энергопотребление и полноцветное излучение. при этом он примерно в миллион раз меньше по площади, что позволяет использовать более компактные дисплеи.Такие светодиодные чипы также могут проложить путь к созданию более мощных фотонных схем, если их можно будет вырастить в виде одного кристалла на кремнии и интегрировать с дополнительной электроникой на основе металлооксидных полупроводников (КМОП).
Однако до сих пор такие микросветодиоды оставались неуловимыми, особенно в диапазоне длин волн излучения от зеленого до красного.Традиционный подход к использованию светодиодов с микросветодиодами представляет собой нисходящий процесс, при котором пленки с квантовыми ямами (КЯ) InGaN втравливаются в микроустройства посредством процесса травления.Хотя тонкопленочные микросветодиоды tio2 на основе InGaN с квантовыми ямами привлекли большое внимание благодаря многим превосходным свойствам InGaN, таким как эффективный транспорт несущей и возможность настройки длины волны во всем видимом диапазоне, до сих пор они сталкивались с такими проблемами, как боковая стенка. коррозионное повреждение, которое усиливается по мере уменьшения размера устройства.Кроме того, из-за существования полей поляризации они обладают нестабильностью длины волны/цвета.Для решения этой проблемы были предложены неполярные и полуполярные решения InGaN и фотонно-кристаллические резонаторы, но в настоящее время они не являются удовлетворительными.
В новой статье, опубликованной в журнале Light Science and Applications, исследователи под руководством Зетиан Ми, профессора Мичиганского университета в Аннабель, разработали зеленый светодиод iii – нитрид субмикронного масштаба, который преодолевает эти препятствия раз и навсегда.Эти микросветодиоды были синтезированы методом селективной региональной молекулярно-лучевой эпитаксии с использованием плазмы.В отличие от традиционного подхода «сверху вниз», здесь µled состоит из массива нанопроволок диаметром от 100 до 200 нм каждая, разделенных десятками нанометров.Такой подход «снизу вверх» по существу позволяет избежать коррозионного повреждения боковых стенок.
Светоизлучающая часть устройства, также известная как активная область, состоит из структур с множественными квантовыми ямами (MQW) ядро-оболочка, характеризующихся морфологией нанопроволоки.В частности, МКЯ состоит из ямы InGaN и барьера AlGaN.Из-за различий в миграции адсорбированных атомов элементов III группы, индия, галлия и алюминия на боковых стенках, мы обнаружили, что индий отсутствует на боковых стенках нанопроволок, где оболочка GaN/AlGaN обертывает ядро MQW, как буррито.Исследователи обнаружили, что содержание Al в этой оболочке GaN/AlGaN постепенно уменьшалось от стороны инжекции электронов нанопроволок к стороне инжекции дырок.Из-за разницы во внутренних полях поляризации GaN и AlN такой объемный градиент содержания Al в слое AlGaN индуцирует свободные электроны, которые легко перетекают в ядро MQW и уменьшают нестабильность цвета за счет уменьшения поля поляризации.
Фактически, исследователи обнаружили, что для устройств диаметром менее одного микрона пиковая длина волны электролюминесценции или светового излучения, индуцированного током, остается постоянной на порядок величины изменения тока инжекции.Кроме того, ранее команда профессора Ми разработала метод выращивания высококачественных покрытий GaN на кремнии для выращивания нанопроводных светодиодов на кремнии.Таким образом, µled находится на кремниевой подложке и готов к интеграции с другой КМОП-электроникой.
Этот микролед имеет множество потенциальных применений.Платформа устройства станет более надежной, поскольку длина волны излучения встроенного в чип RGB-дисплея расширится до красного цвета.
Время публикации: 10 января 2023 г.