Tradičné LED diódy spôsobili revolúciu v oblasti osvetlenia a displejov vďaka svojmu vynikajúcemu výkonu z hľadiska účinnosti, stability a veľkosti zariadenia. LED diódy sú zvyčajne zväzky tenkých polovodičových filmov s priečnymi rozmermi milimetrov, oveľa menšími ako tradičné zariadenia, ako sú žiarovky a katódové trubice. Vznikajúce optoelektronické aplikácie, ako je virtuálna a rozšírená realita, však vyžadujú LED diódy s veľkosťou mikrónov alebo menej. Dúfame, že mikro- alebo submikrónové LED diódy (µLED) budú mať aj naďalej mnohé z vynikajúcich vlastností, ktoré tradičné LED diódy už majú, ako je vysoko stabilná emisia, vysoká účinnosť a jas, ultranízka spotreba energie a emisia plných farieb, pričom budú mať približne miliónkrát menšiu plochu, čo umožní kompaktnejšie displeje. Takéto LED čipy by tiež mohli vydláždiť cestu pre výkonnejšie fotonické obvody, ak by sa dali pestovať ako jeden čip na kremíku a integrovať s komplementárnou elektronikou CMOS (metaloxidový polovodič).
Doteraz však takéto µLED diódy zostávajú nedosiahnuteľné, najmä v rozsahu vlnových dĺžok zelenej až červenej emisie. Tradičný prístup s LED µ-LED diódami je proces zhora nadol, pri ktorom sa kvantové jamy (QW) InGaN leptajú do mikroskopických zariadení pomocou procesu leptania. Zatiaľ čo tenkovrstvové InGaN QW tio2 µLED diódy priťahujú veľkú pozornosť vďaka mnohým vynikajúcim vlastnostiam InGaN, ako je efektívny transport nosičov náboja a laditeľnosť vlnovej dĺžky v celom viditeľnom rozsahu, doteraz ich trápili problémy, ako je poškodenie bočnej steny koróziou, ktoré sa zhoršuje so zmenšovaním veľkosti zariadenia. Okrem toho majú v dôsledku existencie polarizačných polí nestabilitu vlnovej dĺžky/farby. Na tento problém boli navrhnuté nepolárne a semipolárne riešenia InGaN a dutín fotonických kryštálov, ale v súčasnosti nie sú uspokojivé.
V novom článku publikovanom v časopise Light Science and Applications vyvinuli výskumníci pod vedením Zetiana Miho, profesora na Michiganskej univerzite v Annabel, submikrónovú zelenú LED iii-nitridovú diódu, ktorá tieto prekážky prekonáva raz a navždy. Tieto µLED boli syntetizované selektívnou regionálnou plazmovo asistovanou molekulárnou lúčovou epitaxiou. Na rozdiel od tradičného prístupu zhora nadol pozostáva tu µLED zo súboru nanodrôtov, z ktorých každý má priemer iba 100 až 200 nm, oddelených desiatkami nanometrov. Tento prístup zdola nahor v podstate zabraňuje poškodeniu bočných stien koróziou.
Svetlo emitujúca časť zariadenia, známa aj ako aktívna oblasť, sa skladá zo štruktúr s viacerými kvantovými jamami (MQW) typu jadro-obal, ktoré sa vyznačujú morfológiou nanodrôtov. MQW pozostáva najmä z jamy InGaN a bariéry AlGaN. Vzhľadom na rozdiely v migrácii adsorbovaných atómov prvkov III. skupiny india, gália a hliníka na bočných stenách sme zistili, že indium chýba na bočných stenách nanodrôtov, kde obal GaN/AlGaN obaluje jadro MQW ako burrito. Výskumníci zistili, že obsah Al v tomto obale GaN/AlGaN postupne klesá od strany vstrekovania elektrónov do nanodrôtov k strane vstrekovania dier. Vzhľadom na rozdiel vo vnútorných polarizačných poliach GaN a AlN, takýto objemový gradient obsahu Al vo vrstve AlGaN indukuje voľné elektróny, ktoré ľahko prúdia do jadra MQW a zmierňujú nestabilitu farieb znížením polarizačného poľa.
Výskumníci dokonca zistili, že v prípade zariadení s priemerom menším ako jeden mikrón zostáva maximálna vlnová dĺžka elektroluminiscencie alebo prúdom indukovanej emisie svetla konštantná rádovo v závislosti od zmeny vstrekovaného prúdu. Tím profesora Miho navyše predtým vyvinul metódu pestovania vysokokvalitných GaN povlakov na kremíku, ktorá umožňuje pestovať nanodrôtové LED diódy na kremíku. µLED sa tak umiestni na kremíkový substrát a je pripravený na integráciu s inou CMOS elektronikou.
Tento µLED má ľahko mnoho potenciálnych aplikácií. Platforma zariadenia sa stane robustnejšou, keďže sa emisná vlnová dĺžka integrovaného RGB displeja na čipe rozšíri do červenej.
Čas uverejnenia: 10. januára 2023