Традиционалне ЛЕД диоде су револуционисале област осветљења и дисплеја због својих супериорних перформанси у погледу ефикасности, стабилности и величине уређаја. ЛЕД диоде су обично гомиле танких полупроводничких филмова са бочним димензијама од милиметара, много мањих од традиционалних уређаја као што су сијалице са жарном нити и катодне цеви. Међутим, нове оптоелектронске примене, као што су виртуелна и проширена стварност, захтевају ЛЕД диоде величине микрона или мање. Нада је да ће ЛЕД диоде микро или субмикронске размере (µLED) и даље имати многе супериорне квалитете које традиционалне ЛЕД диоде већ имају, као што су веома стабилна емисија, висока ефикасност и осветљеност, ултра ниска потрошња енергије и емисија у пуној боји, док су око милион пута мање површине, што омогућава компактније дисплеје. Такви ЛЕД чипови би такође могли да отворе пут за моћнија фотонска кола ако се могу узгајати као појединачни чип на Si и интегрисати са комплементарном метал-оксид полупроводничком (CMOS) електроником.
Међутим, до сада су такве µLED диоде остале недостижне, посебно у опсегу таласних дужина емисије од зелене до црвене. Традиционални LED µ-LED приступ је процес одозго надоле у којем се InGaN филмови квантних бунара (QW) урезују у микроскопске уређаје кроз процес нагризања. Иако су танкослојне InGaN QW tio2 µLED диоде привукле велику пажњу због многих одличних својстава InGaN-а, као што су ефикасан транспорт носилаца и подесивост таласне дужине у целом видљивом опсегу, до сада су их мучили проблеми као што је оштећење бочних зидова услед корозије које се погоршава како се величина уређаја смањује. Поред тога, због постојања поларизационих поља, имају нестабилност таласне дужине/боје. За овај проблем предложена су решења за неполарне и полуполарне InGaN и фотонске кристалне шупљине, али она тренутно нису задовољавајућа.
У новом раду објављеном у часопису „Light Science and Applications“, истраживачи предвођени Зетијаном Мијем, професором на Универзитету у Мичигену, Анабел, развили су зелену ЛЕД диоду III – нитрид субмикронске величине која једном заувек превазилази ове препреке. Ове µLED диоде су синтетизоване селективном регионалном епитаксијом молекуларног снопа уз помоћ плазме. У потпуној супротности са традиционалним приступом одозго надоле, µLED овде се састоји од низа наножица, свака пречника само 100 до 200 nm, раздвојених десетинама нанометара. Овај приступ одоздо нагоре у суштини избегава оштећења бочних зидова од корозије.
Део уређаја који емитује светлост, познат и као активна област, састоји се од структура језгро-љуска са вишеструким квантним бунарима (MQW) карактерисаних морфологијом наножица. Конкретно, MQW се састоји од InGaN бунара и AlGaN баријере. Због разлика у миграцији адсорбованих атома елемената III групе, индијума, галијума и алуминијума, на бочним зидовима, открили смо да индијум недостаје на бочним зидовима наножица, где GaN/AlGaN љуска обавија MQW језгро попут буритоа. Истраживачи су открили да се садржај Al у овој GaN/AlGaN љусци постепено смањује од стране убризгавања електрона у наножице до стране убризгавања шупљина. Због разлике у унутрашњим поларизационим пољима GaN и AlN, такав градијент запремине садржаја Al у AlGaN слоју индукује слободне електроне, који лако теку у MQW језгро и ублажавају нестабилност боје смањењем поларизационог поља.
У ствари, истраживачи су открили да за уређаје мањег од једног микрона у пречнику, вршна таласна дужина електролуминисценције, или емисије светлости индуковане струјом, остаје константна за ред величине промене убризгавања струје. Поред тога, тим професора Мија је претходно развио метод за узгој висококвалитетних GaN премаза на силицијуму како би се узгајале наножичане ЛЕД диоде на силицијуму. Дакле, µLED се налази на Si подлози спремној за интеграцију са другом CMOS електроником.
Овај µLED лако има много потенцијалних примена. Платформа уређаја ће постати робуснија како се таласна дужина емисије интегрисаног RGB дисплеја на чипу буде ширила ка црвеној.
Време објаве: 10. јануар 2023.