Perinteinen LED on mullistanut valaistuksen ja näyttölaitteiden alan ylivoimaisen suorituskykynsä ansiosta tehokkuuden, vakauden ja laitteen koon suhteen. LEDit ovat tyypillisesti ohuiden puolijohdekalvojen pinoja, joiden sivuttaiset mitat ovat millimetrejä, paljon pienempiä kuin perinteisissä laitteissa, kuten hehkulampuissa ja katodiputkissa. Uudet optoelektroniset sovellukset, kuten virtuaali- ja lisätty todellisuus, vaativat kuitenkin mikronien tai pienempien LEDien kokoa. Toiveena on, että mikro- tai submikronimittakaavan LEDeillä (µled) on edelleen monia perinteisten LEDien jo olemassa olevia parempia ominaisuuksia, kuten erittäin vakaa emissio, korkea hyötysuhde ja kirkkaus, erittäin alhainen virrankulutus ja täysvärinen emissio, samalla kun ne ovat pinta-alaltaan noin miljoona kertaa pienempiä, mikä mahdollistaa kompaktimpien näyttöjen valmistuksen. Tällaiset LED-sirut voisivat myös tasoittaa tietä tehokkaammille fotonipiireille, jos ne voidaan kasvattaa yksisiruisiksi piille ja integroida komplementaariseen metallioksidipuolijohdeelektroniikkaan (CMOS).
Tällaisia µledejä on kuitenkin toistaiseksi löydetty vaikeasti, etenkin vihreästä punaiseen ulottuvalla aallonpituusalueella. Perinteinen led-µled-lähestymistapa on ylhäältä alas -prosessi, jossa InGaN-kvanttikuoppakalvot (QW) syövytetään mikroskooppisiin laitteisiin syövytysprosessin avulla. Vaikka ohutkalvoiset InGaN QW -pohjaiset tio2-µledit ovat herättäneet paljon huomiota monien InGaN:n erinomaisten ominaisuuksien, kuten tehokkaan varauksenkuljettajien kuljetuksen ja aallonpituuden viritettävyyden koko näkyvällä alueella, ansiosta niitä ovat tähän asti vaivanneet ongelmat, kuten sivuseinien korroosiovauriot, jotka pahenevat laitteen koon pienentyessä. Lisäksi polarisaatiokenttien olemassaolon vuoksi niillä on aallonpituuden/värin epävakautta. Tähän ongelmaan on ehdotettu poolittomia ja puolipolaarisia InGaN- ja fotonisten kideonteloiden ratkaisuja, mutta ne eivät ole tällä hetkellä tyydyttäviä.
Light Science and Applications -lehdessä julkaistussa uudessa artikkelissa Michiganin yliopiston professorin Zetian Min johtamat tutkijat ovat kehittäneet submikronikokoisen vihreän LED iii-nitridin, joka voittaa nämä esteet lopullisesti. Nämä µledit syntetisoitiin selektiivisellä alueellisella plasma-avusteisella molekyylisuihkuepitaksialla. Perinteisestä ylhäältä alas -lähestymistavasta poiketen tässä µled koostuu nanolankojen ryhmästä, joiden halkaisija on vain 100–200 nm ja joiden välillä on kymmeniä nanometrejä. Tämä alhaalta ylös -lähestymistapa estää olennaisesti sivuseinien korroosiovauriot.
Laitteen valoa emittoiva osa, joka tunnetaan myös aktiivisena alueena, koostuu ydin-kuori-multiplikvanttikuoppa (MQW) -rakenteista, joille on ominaista nanolankojen morfologia. MQW koostuu erityisesti InGaN-kuopasta ja AlGaN-esteestä. Ryhmä III -alkuaineiden indiumin, galliumin ja alumiinin adsorboituneiden atomien migraation erojen vuoksi sivuseinillä havaitsimme, että indiumia puuttui nanolankojen sivuseinistä, joissa GaN/AlGaN-kuori kietoi MQW-ytimen burriton tavoin. Tutkijat havaitsivat, että tämän GaN/AlGaN-kuoren Al-pitoisuus väheni vähitellen nanolankojen elektroni-injektiopuolelta reikä-injektiopuolelle. GaN:n ja AlN:n sisäisten polarisaatiokenttien erojen vuoksi AlGaN-kerroksen Al-pitoisuuden tilavuusgradientti indusoi vapaita elektroneja, jotka virtaavat helposti MQW-ytimeen ja lievittävät värin epävakautta vähentämällä polarisaatiokenttää.
Tutkijat ovat itse asiassa havainneet, että alle mikronin halkaisijaltaan olevissa laitteissa elektroluminesenssin eli virran aiheuttaman valoemission huippuaallonpituus pysyy vakiona virran injektoinnin muutoksen suuruusluokkaa vastaavan luokan verran. Lisäksi professori Min tiimi on aiemmin kehittänyt menetelmän korkealaatuisten GaN-pinnoitteiden kasvattamiseksi piin pinnalle nanolanka-ledien kasvattamiseksi piin pinnalle. Näin ollen mikrolanka-led sijaitsee piisubstraatilla, joka on valmis integroitavaksi muun CMOS-elektroniikan kanssa.
Tällä µledillä on helposti monia potentiaalisia sovelluksia. Laitealustasta tulee vankempi, kun sirulle integroidun RGB-näytön emissioaallonpituus laajenee punaiseksi.
Julkaisun aika: 10. tammikuuta 2023