Tradicionalne LED diode revolucionirale su područje rasvjete i prikaza zbog svojih superiornih performansi u smislu učinkovitosti, stabilnosti i veličine uređaja. LED diode su obično snopovi tankih poluvodičkih filmova s lateralnim dimenzijama od milimetara, mnogo manjim od tradicionalnih uređaja poput žarulja sa žarnom niti i katodnih cijevi. Međutim, nove optoelektroničke 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, poput vrlo stabilne emisije, visoke učinkovitosti i svjetline, ultra niske potrošnje energije i emisije u punoj boji, a pritom su oko milijun puta manje površine, što omogućuje kompaktnije prikaze. Takvi LED čipovi mogli bi utrti put i snažnijim fotonskim sklopovima ako se mogu uzgajati kao pojedinačni čip na Si i integrirati s komplementarnom metal-oksid-poluvodičnom (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 procesom jetkanja. Iako su tankoslojne InGaN QW-bazirane tio2 µLED diode privukle mnogo pažnje zbog mnogih izvrsnih svojstava InGaN-a, kao što su učinkovit transport nosioca i prilagodljivost 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 trenutno nisu zadovoljavajuća.
U novom radu objavljenom u časopisu Light Science and Applications, istraživači predvođeni Zetianom Mijem, profesorom na Sveučilištu Michigan u Annabelu, razvili su zelenu LED iii-nitrid submikronske skale koja jednom zauvijek prevladava te prepreke. Ove µLED diode sintetizirane su selektivnom regionalnom epitaksijom molekularnog snopa potpomognutom plazmom. U oštroj suprotnosti s tradicionalnim pristupom odozgo prema dolje, ovdje se µLED sastoji od niza nanožica, svaka promjera samo 100 do 200 nm, razdvojenih desecima nanometara. Ovaj pristup odozdo prema gore u biti izbjegava oštećenje bočnih stijenki korozijom.
Dio uređaja koji emitira svjetlost, također poznat kao aktivno područje, sastoji se od struktura s više kvantnih jama (MQW) s jezgrom i ljuskom karakteriziranih morfologijom nanostruktura. MQW se sastoji od InGaN jama i AlGaN barijere. Zbog razlika u migraciji adsorbiranih atoma elemenata III. skupine, indija, galija i aluminija na bočnim stijenkama, otkrili smo da indij nedostaje na bočnim stijenkama nanostruktura, gdje GaN/AlGaN ljuska omotava MQW jezgru poput burrita. Istraživači su otkrili da se sadržaj Al u ovoj GaN/AlGaN ljusci postupno smanjuje od strane ubrizgavanja elektrona u nanostrukture do strane ubrizgavanja šupljina. Zbog razlike u unutarnjim 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.
Zapravo, istraživači su otkrili da za uređaje promjera manjeg od jednog mikrona, vršna valna duljina elektroluminiscencije, ili emisije svjetlosti inducirane strujom, ostaje konstantna za red veličine promjene ubrizgavanja struje. Osim toga, tim profesora Mija prethodno je razvio metodu za uzgoj visokokvalitetnih GaN premaza na siliciju za uzgoj nano-svjetlećih LED dioda na siliciju. Dakle, µLED se nalazi na Si podlozi spremnoj za integraciju s drugom CMOS elektronikom.
Ovaj µLED lako ima mnogo potencijalnih primjena. Platforma uređaja postat će robusnija kako se valna duljina emisije integriranog RGB zaslona na čipu bude širila prema crvenoj.
Vrijeme objave: 10. siječnja 2023.