Традиционные светодиоды произвели революцию в области освещения и отображения благодаря их превосходной производительности с точки зрения эффективности, стабильности и размера устройства. Светодиоды обычно представляют собой стопки тонких полупроводниковых пленок с поперечными размерами в миллиметры, что намного меньше, чем у традиционных устройств, таких как лампы накаливания и катодные трубки. Однако для новых оптоэлектронных приложений, таких как виртуальная и дополненная реальность, требуются светодиоды размером в микроны или меньше. Есть надежда, что микро- или субмикронные светодиоды (µled) продолжат обладать многими превосходными качествами, которыми уже обладают традиционные светодиоды, такими как высокостабильное излучение, высокая эффективность и яркость, сверхнизкое энергопотребление и полноцветное излучение, будучи при этом примерно в миллион раз меньше по площади, что позволяет создавать более компактные дисплеи. Такие светодиодные чипы также могут проложить путь для более мощных фотонных схем, если их можно будет выращивать на одном кристалле на Si и интегрировать с комплементарной металлооксидной полупроводниковой (CMOS) электроникой.
Однако до сих пор такие µ-светодиоды оставались неуловимыми, особенно в диапазоне длин волн излучения от зеленого до красного. Традиционный подход светодиодов µ-светодиодов представляет собой нисходящий процесс, в котором пленки квантовых ям (QW) InGaN вытравливаются в микромасштабных устройствах с помощью процесса травления. Хотя тонкопленочные tio2 µ-светодиоды на основе InGaN QW привлекли большое внимание из-за многих превосходных свойств InGaN, таких как эффективный перенос носителей и настраиваемость длины волны во всем видимом диапазоне, до сих пор они страдали от таких проблем, как коррозия боковых стенок, которая ухудшается по мере уменьшения размера устройства. Кроме того, из-за существования полей поляризации они имеют нестабильность длины волны/цвета. Для этой проблемы были предложены неполярные и полуполярные решения InGaN и фотонно-кристаллических резонаторов, но в настоящее время они не являются удовлетворительными.
В новой статье, опубликованной в журнале Light Science and Applications, исследователи под руководством Цзэтяня Ми, профессора Мичиганского университета в Аннабеле, разработали субмикронный зеленый светодиод iii – нитрид, который раз и навсегда преодолевает эти препятствия. Эти µ-светодиоды были синтезированы с помощью селективной региональной плазменной молекулярно-лучевой эпитаксии. В резком контрасте с традиционным подходом сверху вниз, µ-светодиод здесь состоит из массива нанопроволок, каждая диаметром всего 100–200 нм, разделенных десятками нанометров. Этот подход снизу вверх по существу позволяет избежать повреждения боковой стенки коррозией.
Светоизлучающая часть устройства, также известная как активная область, состоит из структур с множественными квантовыми ямами (MQW) типа «ядро-оболочка», характеризующихся морфологией нанопроволок. В частности, MQW 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 уменьшается 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 смягчают цветовую нестабильность за счет уменьшения поля поляризации.
Фактически, исследователи обнаружили, что для устройств диаметром менее одного микрона пиковая длина волны электролюминесценции или светового излучения, вызванного током, остается постоянной на порядок величины изменения инжекции тока. Кроме того, команда профессора Ми ранее разработала метод выращивания высококачественных покрытий GaN на кремнии для выращивания светодиодов на основе нанопроволок на кремнии. Таким образом, µled находится на подложке Si, готовой к интеграции с другой электроникой CMOS.
Этот µled легко имеет много потенциальных применений. Платформа устройства станет более надежной, поскольку длина волны излучения интегрированного RGB-дисплея на чипе расширится до красного цвета.
Время публикации: 10 января 2023 г.