Traditionel LED har revolutioneret belysnings- og displayområdet på grund af deres overlegne ydeevne med hensyn til effektivitet, stabilitet og enhedsstørrelse. LED'er er typisk stakke af tynde halvlederfilm med laterale dimensioner på millimeter, meget mindre end traditionelle enheder såsom glødepærer og katoderør. Nye optoelektroniske applikationer, såsom virtuel og augmented reality, kræver dog LED'er i størrelsen mikron eller mindre. Håbet er, at mikro- eller submikron-skala LED'er (µled'er) fortsat har mange af de overlegne kvaliteter, som traditionelle LED'er allerede har, såsom meget stabil emission, høj effektivitet og lysstyrke, ultralavt strømforbrug og fuldfarveemission, samtidig med at de er omkring en million gange mindre i areal, hvilket giver mulighed for mere kompakte displays. Sådanne LED-chips kan også bane vejen for mere kraftfulde fotoniske kredsløb, hvis de kan dyrkes som en enkelt chip på Si og integreres med komplementær metaloxid-halvlederelektronik (CMOS).
Indtil videre har sådanne µled'er dog forblevet uhåndgribelige, især i det grønne til røde emissionsbølgelængdeområde. Den traditionelle led µ-led-tilgang er en top-down-proces, hvor InGaN-kvantebrøndfilm (QW) ætses ind i mikroskalaenheder gennem en ætsningsproces. Mens tyndfilms InGaN QW-baserede tio2 µled'er har tiltrukket sig stor opmærksomhed på grund af mange af InGaNs fremragende egenskaber, såsom effektiv bærertransport og bølgelængdejusterbarhed i hele det synlige område, har de indtil nu været plaget af problemer såsom korrosionsskader på sidevæggen, der forværres, når enhedens størrelse krymper. Derudover har de på grund af eksistensen af polarisationsfelter bølgelængde-/farveustabilitet. Til dette problem er der blevet foreslået ikke-polære og semi-polære InGaN- og fotoniske krystalhulrumsløsninger, men de er ikke tilfredsstillende i øjeblikket.
I en ny artikel offentliggjort i Light Science and Applications har forskere ledet af Zetian Mi, professor ved University of Michigan i Annabel, udviklet en grøn LED iii-nitrid på submikronskala, der overvinder disse forhindringer én gang for alle. Disse µled'er blev syntetiseret ved selektiv regional plasmaassisteret molekylærstråleepitaksi. I skarp kontrast til den traditionelle top-down-tilgang består µled'en her af en række nanotråde, der hver kun er 100 til 200 nm i diameter, adskilt af ti nanometer. Denne bottom-up-tilgang undgår i det væsentlige korrosionsskader på væggene i sideretningen.
Den lysudstrålende del af enheden, også kendt som den aktive region, består af kerne-skal multiple quantum well (MQW) strukturer karakteriseret ved nanotrådsmorfologi. Især består MQW af InGaN-brønden og AlGaN-barrieren. På grund af forskelle i adsorberet atommigration af Gruppe III-elementerne indium, gallium og aluminium på sidevæggene fandt vi, at indium manglede på sidevæggene af nanotrådene, hvor GaN/AlGaN-skallen indhyllede MQW-kernen som en burrito. Forskerne fandt, at Al-indholdet i denne GaN/AlGaN-skal gradvist faldt fra elektroninjektionssiden af nanotrådene til hulinjektionssiden. På grund af forskellen i de interne polarisationsfelter af GaN og AlN inducerer en sådan volumengradient af Al-indhold i AlGaN-laget frie elektroner, som let strømmer ind i MQW-kernen og mindsker farveustabiliteten ved at reducere polarisationsfeltet.
Faktisk har forskerne fundet ud af, at for enheder med en diameter på mindre end én mikron forbliver den maksimale bølgelængde for elektroluminescens, eller strøminduceret lysemission, konstant i en størrelsesorden svarende til ændringen i strøminjektionen. Derudover har professor Mis team tidligere udviklet en metode til at dyrke GaN-belægninger af høj kvalitet på silicium for at dyrke nanotråds-LED'er på silicium. Således sidder en µled på et Si-substrat, klar til integration med anden CMOS-elektronik.
Denne µLED har nemt mange potentielle anvendelser. Enhedsplatformen vil blive mere robust, efterhånden som emissionsbølgelængden for det integrerede RGB-display på chippen udvider sig til rød.
Opslagstidspunkt: 10. januar 2023