Tradiční LED diody způsobily revoluci v oblasti osvětlení a displejů díky svému vynikajícímu výkonu, pokud jde o účinnost, stabilitu a velikost zařízení. LED diody jsou obvykle vrstvy tenkých polovodičových filmů s milimetrovými bočními rozměry, mnohem menšími než u tradičních zařízení, jako jsou žárovky a katodové trubice. Nově vznikající optoelektronické aplikace, jako je virtuální a rozšířená realita, však vyžadují LED diody o velikosti mikronů nebo méně. Doufá se, že mikro- nebo submikronové LED diody (µLED) si i nadále zachovají mnoho vynikajících vlastností, které tradiční LED diody již mají, jako je vysoce stabilní emise, vysoká účinnost a jas, ultranízká spotřeba energie a plnobarevná emise, a zároveň budou asi milionkrát menší, což umožní kompaktnější displeje. Takové LED čipy by také mohly připravit cestu pro výkonnější fotonické obvody, pokud by je bylo možné vypěstovat na jednom čipu na křemíku a integrovat s komplementární elektronikou CMOS (metal-oxid-polovodič).
Dosud však takové µLED diody zůstávaly nedosažitelné, zejména v rozsahu vlnových délek zelené až červené emise. Tradiční přístup s LED µ-LED diodami je proces shora dolů, při kterém se kvantové jámy (QW) InGaN leptáním leptá do mikroskopických zařízení pomocí leptání. Zatímco tenkovrstvé InGaN QW tio2 µLED diody přitahují velkou pozornost díky mnoha vynikajícím vlastnostem InGaN, jako je efektivní transport nosičů náboje a laditelnost vlnové délky v celém viditelném rozsahu, dosud je sužovaly problémy, jako je poškození bočních stěn korozí, které se zhoršuje s zmenšováním velikosti zařízení. Kromě toho mají kvůli existenci polarizačních polí nestabilitu vlnové délky/barvy. Pro tento problém byla navržena nepolární a semipolární řešení InGaN a fotonických krystalových dutin, ale v současné době nejsou uspokojivá.
V novém článku publikovaném v časopise Light Science and Applications vyvinuli vědci pod vedením Zetiana Miho, profesora na Michiganské univerzitě v Annabelu, submikronovou zelenou LED iii-nitridovou diódu, která tyto překážky jednou provždy překonává. Tyto µLED byly syntetizovány selektivní regionální plazmově asistovanou molekulární epitaxí. Na rozdíl od tradičního přístupu shora dolů se zde popsaná µLED skládá z pole nanodrátů, každý o průměru pouze 100 až 200 nm, oddělených desítkami nanometrů. Tento přístup zdola nahoru v podstatě zabraňuje poškození bočních stěn korozí.
Část zařízení emitující světlo, známá také jako aktivní oblast, se skládá ze struktur s více kvantovými jámami (MQW) typu jádro-obal, které se vyznačují morfologií nanodrátů. MQW se konkrétně skládá z jámy InGaN a bariéry AlGaN. Vzhledem k rozdílům v migraci adsorbovaných atomů prvků III. skupiny india, galia a hliníku na bočních stěnách jsme zjistili, že indium na bočních stěnách nanovláken chybí, protože obal GaN/AlGaN obaluje jádro MQW jako burrito. Vědci zjistili, že obsah Al v tomto obalu GaN/AlGaN postupně klesá od strany vstřikování elektronů do nanovláken ke straně vstřikování děr. Vzhledem k rozdílu ve vnitřních polarizačních polích GaN a AlN indukuje takový objemový gradient obsahu Al ve vrstvě AlGaN volné elektrony, které snadno proudí do jádra MQW a zmírňují barevnou nestabilitu snížením polarizačního pole.
Vědci dokonce zjistili, že u zařízení o průměru menším než jeden mikron zůstává maximální vlnová délka elektroluminiscence, neboli proudem indukované emise světla, konstantní v řádu změny injekce proudu. Tým profesora Miho navíc dříve vyvinul metodu pro pěstování vysoce kvalitních povlaků GaN na křemíku pro pěstování nanodrátových LED diod na křemíku. µLED tak sedí na křemíkovém substrátu a je připraven k integraci s další CMOS elektronikou.
Tato µLED dioda má snadno mnoho potenciálních aplikací. Platforma zařízení se stane robustnější s tím, jak se emisní vlnová délka integrovaného RGB displeje na čipu rozšiřuje do červené.
Čas zveřejnění: 10. ledna 2023