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 миллиметры, 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 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 удастся вырастить на одном кристалле на Si и интегрировать с электроникой на основе комплементарного металл-оксид-полупроводника (КМОП).
Однако до сих пор такие µ-светодиоды оставались недостижимыми, особенно в диапазоне длин волн излучения от зеленого до красного. Традиционный подход к µ-светодиодам светодиодов представляет собой нисходящий процесс, в котором пленки квантовых ям (КЯ) InGaN вытравливаются в микромасштабных устройствах с помощью процесса травления. В то время как тонкопленочные tio2 µ-светодиоды на основе КЯ InGaN привлекали большое внимание из-за многих превосходных свойств InGaN, таких как эффективный транспорт носителей заряда и перестраиваемость длины волны во всем видимом диапазоне, до сих пор они страдали от таких проблем, как коррозия боковых стенок, которая ухудшается с уменьшением размера устройства. Кроме того, из-за существования полей поляризации они имеют нестабильность длины волны/цвета. Для этой проблемы были предложены неполярные и полуполярные решения на основе InGaN и фотонных кристаллов-резонаторов, но в настоящее время они неудовлетворительны.
В новой статье, опубликованной в журнале Light Science and Applications, исследователи под руководством Цзэтяня Ми, профессора Мичиганского университета в Аннабеле, разработали зелёный светодиод субмикронного размера на основе нитрида iii, который раз и навсегда преодолевает эти препятствия. Эти микросветодиоды были синтезированы методом селективной локальной плазменно-активированной молекулярно-лучевой эпитаксии. В отличие от традиционного подхода «сверху вниз», представленный микросветодиод состоит из массива нанопроволок диаметром всего 100–200 нм каждая, расположенных на расстоянии десятков нанометров друг от друга. Такой подход «снизу вверх» позволяет избежать коррозии боковых стенок.
Светоизлучающая часть устройства, также известная как активная область, состоит из структур с множественными квантовыми ямами (МКЯ) с сердцевиной и оболочкой, характеризующихся морфологией нанопроволок. 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 обволакивает ядро МКЯ, как буррито. Исследователи обнаружили, что содержание Al в этой оболочке GaN/AlGaN постепенно уменьшается от стороны инжекции электронов в нанопроволоки 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 проникают в ядро МКЯ и смягчают цветовую нестабильность за счет уменьшения поля поляризации.
Фактически, исследователи обнаружили, что для устройств диаметром менее одного микрона пиковая длина волны электролюминесценции, или индуцированного током излучения, остаётся постоянной на порядок величины изменения инжекции тока. Кроме того, группа профессора Ми ранее разработала метод выращивания высококачественных покрытий GaN на кремнии для выращивания нанопроволочных светодиодов на кремнии. Таким образом, микросветодиоды размещаются на кремниевой подложке и готовы к интеграции с другими КМОП-электронными компонентами.
Этот микросветодиод легко может найти множество потенциальных применений. Платформа устройства станет более надёжной по мере расширения длины волны излучения интегрированного RGB-дисплея на чипе до красного диапазона.
Время публикации: 10 января 2023 г.