Τα παραδοσιακά LED έχουν φέρει επανάσταση στον τομέα του φωτισμού και της οθόνης λόγω της ανώτερης απόδοσής τους όσον αφορά την απόδοση, τη σταθερότητα και το μέγεθος της συσκευής. Τα LED είναι συνήθως στοίβες λεπτών ημιαγωγικών μεμβρανών με πλευρικές διαστάσεις χιλιοστών, πολύ μικρότερες από τις παραδοσιακές συσκευές όπως οι λαμπτήρες πυρακτώσεως και οι καθοδικοί σωλήνες. Ωστόσο, οι αναδυόμενες οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές, όπως η εικονική και η επαυξημένη πραγματικότητα, απαιτούν LED μεγέθους μικρών ή και λιγότερο. Η ελπίδα είναι ότι τα LED μικρο- ή υπομικρο-κλίμακας (µleds) θα συνεχίσουν να έχουν πολλές από τις ανώτερες ιδιότητες που έχουν ήδη τα παραδοσιακά LED, όπως εξαιρετικά σταθερή εκπομπή, υψηλή απόδοση και φωτεινότητα, εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και εκπομπή πλήρους χρώματος, ενώ θα είναι περίπου ένα εκατομμύριο φορές μικρότερα σε εμβαδόν, επιτρέποντας πιο συμπαγείς οθόνες. Τέτοια τσιπ LED θα μπορούσαν επίσης να ανοίξουν το δρόμο για πιο ισχυρά φωτονικά κυκλώματα εάν μπορούν να αναπτυχθούν ως μονό τσιπ σε Si και να ενσωματωθούν με συμπληρωματικά ηλεκτρονικά ημιαγωγών μεταλλικού οξειδίου (CMOS).
Ωστόσο, μέχρι στιγμής, τέτοια µleds έχουν παραμείνει ασαφή, ειδικά στην περιοχή κύματος εκπομπής από πράσινο έως κόκκινο. Η παραδοσιακή προσέγγιση led µ-led είναι μια διαδικασία από πάνω προς τα κάτω στην οποία οι μεμβράνες κβαντικού φρέατος (QW) InGaN χαράσσονται σε συσκευές μικροκλίμακας μέσω μιας διαδικασίας χάραξης. Ενώ τα λεπτής μεμβράνης µleds tio2 που βασίζονται σε InGaN QW έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω πολλών από τις εξαιρετικές ιδιότητες του InGaN, όπως η αποτελεσματική μεταφορά φορέων και η δυνατότητα ρύθμισης μήκους κύματος σε όλο το ορατό εύρος, μέχρι τώρα μαστίζονται από προβλήματα όπως η ζημιά από διάβρωση στα πλευρικά τοιχώματα που επιδεινώνεται καθώς το μέγεθος της συσκευής συρρικνώνεται. Επιπλέον, λόγω της ύπαρξης πεδίων πόλωσης, έχουν αστάθεια μήκους κύματος/χρώματος. Για αυτό το πρόβλημα, έχουν προταθεί μη πολικές και ημιπολικές λύσεις InGaN και φωτονικών κρυσταλλικών κοιλοτήτων, αλλά προς το παρόν δεν είναι ικανοποιητικές.
Σε μια νέα δημοσίευση στο Light Science and Applications, ερευνητές με επικεφαλής τον Zetian Mi, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, Annabel, ανέπτυξαν ένα πράσινο LED iii – νιτρίδιο σε κλίμακα υπομικρού που ξεπερνά αυτά τα εμπόδια μια για πάντα. Αυτά τα µled συντέθηκαν με επιλεκτική περιφερειακή επιταξία μοριακής δέσμης με τη βοήθεια πλάσματος. Σε έντονη αντίθεση με την παραδοσιακή προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω, το µled εδώ αποτελείται από μια σειρά νανοκαλωδίων, το καθένα με διάμετρο μόνο 100 έως 200 nm, χωρισμένα από δεκάδες νανόμετρα. Αυτή η προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω ουσιαστικά αποφεύγει τη ζημιά από διάβρωση στα πλευρικά τοιχώματα.
Το τμήμα εκπομπής φωτός της συσκευής, γνωστό και ως ενεργή περιοχή, αποτελείται από δομές πολλαπλών κβαντικών φρεατίων (MQW) πυρήνα-κελύφους που χαρακτηρίζονται από μορφολογία νανοσωλήνων. Συγκεκριμένα, το MQW αποτελείται από το φρεάτιο InGaN και το φράγμα AlGaN. Λόγω διαφορών στη μετανάστευση προσροφημένων ατόμων των στοιχείων Ομάδας III ίνδιο, γάλλιο και αλουμίνιο στα πλευρικά τοιχώματα, διαπιστώσαμε ότι έλειπε ίνδιο στα πλευρικά τοιχώματα των νανοσωλήνων, όπου το κέλυφος GaN/AlGaN τύλιγε τον πυρήνα MQW σαν ένα burrito. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η περιεκτικότητα σε Al αυτού του κελύφους GaN/AlGaN μειώθηκε σταδιακά από την πλευρά έγχυσης ηλεκτρονίων των νανοσωλήνων προς την πλευρά έγχυσης οπών. Λόγω της διαφοράς στα εσωτερικά πεδία πόλωσης του GaN και του AlN, μια τέτοια κλίση όγκου της περιεκτικότητας σε Al στο στρώμα AlGaN προκαλεί ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι εύκολο να ρέουν στον πυρήνα MQW και μετριάζουν την αστάθεια χρώματος μειώνοντας το πεδίο πόλωσης.
Στην πραγματικότητα, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι για συσκευές με διάμετρο μικρότερη από ένα μικρό, το μέγιστο μήκος κύματος της ηλεκτροφωταύγειας, ή αλλιώς της εκπομπής φωτός που προκαλείται από το ρεύμα, παραμένει σταθερό σε μια τάξη μεγέθους της αλλαγής στην έγχυση ρεύματος. Επιπλέον, η ομάδα του καθηγητή Mi έχει αναπτύξει προηγουμένως μια μέθοδο για την ανάπτυξη επιστρώσεων GaN υψηλής ποιότητας σε πυρίτιο για την ανάπτυξη νανοσωλήνων LED σε πυρίτιο. Έτσι, ένα µled κάθεται σε ένα υπόστρωμα Si έτοιμο για ενσωμάτωση με άλλα ηλεκτρονικά CMOS.
Αυτό το µled έχει εύκολα πολλές πιθανές εφαρμογές. Η πλατφόρμα της συσκευής θα γίνει πιο στιβαρή καθώς το μήκος κύματος εκπομπής της ενσωματωμένης οθόνης RGB στο τσιπ επεκτείνεται σε κόκκινο.
Ώρα δημοσίευσης: 10 Ιανουαρίου 2023