Традиционные светодиоды произвели революцию в области освещения и дисплеев благодаря своим превосходным характеристикам с точки зрения эффективности, стабильности и размеров. Светодиоды обычно представляют собой стопки тонких полупроводниковых пленок с боковыми размерами в миллиметры, что значительно 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 светодиоды микро- или субмикронного масштаба (мклэды) сохранят многие из превосходных качеств, которыми уже обладают традиционные светодиоды, такие как высокостабильное излучение, высокая эффективность и яркость, сверхнизкое энергопотребление и полноцветное излучение, при этом будучи примерно в миллион раз меньше по площади, что позволит создавать более компактные дисплеи. Такие светодиодные чипы также могут проложить путь к созданию более мощных фотонных схем, если их можно будет выращивать на кремниевой подложке в виде монокристалла и интегрировать с комплементарной металлооксидной полупроводниковой (CMOS) электроникой.
Однако до сих пор такие микросветодиоды оставались труднодостижимыми, особенно в диапазоне длин волн излучения от зеленого до красного. Традиционный подход к созданию микросветодиодов основан на нисходящем процессе, при котором пленки квантовых ям InGaN вытравливаются в микромасштабные устройства посредством травления. Хотя тонкопленочные микросветодиоды на основе квантовых ям InGaN привлекли большое внимание благодаря многим превосходным свойствам InGaN, таким как эффективный перенос носителей заряда и возможность настройки длины волны во всем видимом диапазоне, до сих пор они страдали от таких проблем, как коррозия боковых стенок, которая усугубляется по мере уменьшения размера устройства. Кроме того, из-за наличия поляризационных полей они обладают нестабильностью длины волны/цвета. Для решения этой проблемы были предложены неполярные и полуполярные решения на основе InGaN и фотонных кристаллических резонаторов, но в настоящее время они не являются удовлетворительными.
В новой статье, опубликованной в журнале Light Science and Applications, исследователи под руководством профессора Мичиганского университета (Аннабель) Зетянь Ми разработали субмикронный зеленый светодиод на основе нитрида iii, который раз и навсегда преодолевает эти препятствия. Эти микросветодиоды были синтезированы методом селективной региональной плазмоассистированной молекулярно-лучевой эпитаксии. В отличие от традиционного подхода «сверху вниз», этот микросветодиод представляет собой массив нанопроводов, каждый диаметром всего 100–200 нм, разделенных десятками нанометров. Такой подход «снизу вверх» практически исключает повреждение стенок от боковой коррозии.
Светоизлучающая часть устройства, также известная как активная область, состоит из многослойных квантовых ям (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 обволакивает ядро MQW, подобно буррито. Исследователи обнаружили, что содержание Al в этой оболочке GaN/AlGaN постепенно уменьшается от стороны инжекции электронов к стороне инжекции дырок. Из-за различий во внутренних полях поляризации GaN и AlN такой объемный градиент содержания Al в слое AlGaN индуцирует свободные электроны, которые легко проникают в ядро MQW и смягчают нестабильность цвета за счет уменьшения поля поляризации.
Фактически, исследователи обнаружили, что для устройств диаметром менее одного микрона пиковая длина волны электролюминесценции, или излучения света, индуцированного током, остается постоянной на порядок величины, пропорциональной изменению тока инжекции. Кроме того, команда профессора Ми ранее разработала метод выращивания высококачественных покрытий GaN на кремнии для выращивания нанопроволочных светодиодов на кремнии. Таким образом, микросветодиод располагается на кремниевой подложке, готовой к интеграции с другой КМОП-электроникой.
Этот микросветодиод легко находит множество потенциальных применений. Платформа устройства станет более надежной по мере расширения диапазона длин волн излучения встроенного RGB-дисплея на чипе до красного цвета.
Дата публикации: 10 января 2023 г.