BILD: (A) SCHEMA DES INGAN/AGAN-MEHRFACH-QUANTUM-WELL-NANOWRAHT-ARRAYS. (B) Die Spitzenwellenlänge der Elektrolumineszenz des Geräts bleibt über eine Größenordnung der Änderung der Stromeinspeisung hinweg konstant. (C) DIE AKTUELLEN SPANNUNGSMERKMALE EINES GERÄTS, DAS EIN GUTES GLEICHRICHTUNGSVERHÄLTNIS UND EINE STARKE, MIT DEN AUGEN SICHTBARKEIT GRÜNE EMISSION AUFWEIST.
BILDNACHWEIS: VON YUANPENG WU, YIXIN XIAO, ISHTIAQUE NAVID, KAI SUN, YAKSHITA MALHOTRA, PING WANG, DING WANG, YUANXIANG XU, AYUSH PANDEY, REDDEPPA MADDAKA, WALTER SHIN, JIANGNAN LIU, JUNGWOOK MIN, ZETIAN MI
Aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften in Bezug auf Effizienz, Stabilität und Gerätevolumen haben herkömmliche Leuchtdioden (LEDs) bereits die Welt der Beleuchtung und Anzeige revolutioniert. LEDs sind typischerweise Stapel dünner Halbleiterfilme mit seitlichen Abmessungen in der Größenordnung von Millimetern, die viel kleiner sind als herkömmliche Geräte wie Glühbirnen und Kathodenröhren. Doch neue optoelektronische Anwendungen wie Virtual und Augmented Reality erfordern LEDs mit Abmessungen im Mikrometerbereich oder kleiner. Es ist wünschenswert, dass die LEDs im Mikro- oder Submikronbereich (µLEDs) weiterhin die vielen überlegenen Eigenschaften besitzen, die herkömmliche LEDs bereits haben, wie z. B. eine äußerst stabile Emission, hohe Effizienz und Helligkeit, einen extrem geringen Stromverbrauch und eine Vollfarbemission, während sie gleichzeitig etwa eine Million Mal kleiner in der Fläche sind, was eine viel kompaktere Anzeige ermöglicht. Solche µLEDs würden auch den Weg für viel leistungsfähigere photonische Schaltkreise ebnen, wenn sie zur Integration in komplementäre Metalloxid-Halbleiterelektronik (CMOS) monolithisch auf Si gewachsen werden könnten.

Bisher sind solche µLEDs jedoch noch nicht erhältlich, insbesondere im Emissionswellenlängenbereich von Grün bis Rot. Der herkömmliche Ansatz für µLEDs ist ein Top-Down-Prozess, bei dem dünne InGaN-Quantentopffilme (QW) durch Ätzprozesse zu Geräten mit Abmessungen im Mikromaßstab strukturiert werden. Während Dünnfilm-InGaN-QW-basierte µLEDs aufgrund vieler wünschenswerter Eigenschaften von InGaN, wie z. B. effizienter Ladungsträgertransport und Wellenlängenabstimmbarkeit über den gesamten sichtbaren Bereich, große Aufmerksamkeit erregt haben, leiden sie bisher unter Problemen wie Seitenwandätzschäden, die sich mit abnehmender Gerätegröße verschlimmern. Darüber hinaus leiden sie aufgrund der Polarisationsfelder unter Wellenlängen-/Farbinstabilität, für die Lösungen wie unpolares und semipolares InGaN und photonische Kristallhohlräume vorgeschlagen wurden, die jedoch bisher unbefriedigend waren.

In einem neuen Artikel, der in Light Science & Application veröffentlicht wurde, haben Forscher unter der Leitung von Professor Zetian Mi von der University of Michigan in Ann Arbor, USA, grüne µLEDs im Submikron-Maßstab aus III-Nitrid entwickelt, die diese Hindernisse auf einmal überwinden. Diese µLEDs werden mit selektiver bereichsplasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie synthetisiert. Im krassen Gegensatz zum herkömmlichen Top-Down-Ansatz bestehen die µLEDs hier aus Arrays von Nanodrähten, von denen jeder nur einen Durchmesser von 100 bis 200 nm hat und mehrere zehn Nanometer voneinander entfernt ist. Ein solcher Bottom-up-Ansatz vermeidet grundsätzlich Schäden durch Seitenwandätzung.

Der lichtemittierende Teil des Geräts, auch als aktiver Bereich bekannt, besteht aus einer Kern-Schale-Mehrfach-Quantum-Well-Struktur (MQW), die für die Nanodrahtmorphologie einzigartig ist. Insbesondere besteht das MQW aus InGaN-Wells und AlGaN-Barrieren. Aufgrund der Unterschiede in der Adatommigration an den Seitenwänden zwischen den Gruppe-III-Elementen Indium, Gallium und Aluminium fehlt Indium an den Seitenwänden des Nanodrahts, wo eine GaN/AlGaN-Hülle den MQW-Kern wie ein Burrito umhüllt. Die Forscher haben herausgefunden, dass der Al-Gehalt dieser GaN/AlGaN-Hülle von der Elektroneninjektionsseite zur Löcherinjektionsseite des Nanodrahts abnimmt. Aufgrund des Unterschieds im internen Polarisationsfeld zwischen GaN und AlN induziert ein solcher Massengradient des Al-Gehalts in den AlGaN-Schichten freie Elektronen, die leicht in den MQW-Kern fließen können, um die Farbinstabilität durch Abschwächung der Polarisationsfelder zu mildern.

Tatsächlich haben die Forscher herausgefunden, dass die Spitzenwellenlänge der Elektrolumineszenz oder der durch elektrischen Strom induzierten Lichtemission bei einem Gerät mit einem Durchmesser von weniger als einem Mikrometer über eine Größenordnung der Änderung der Strominjektion hinweg konstant bleibt. Darüber hinaus hat die Gruppe von Prof. Mi zuvor eine Methode zum Züchten einer hochwertigen GaN-Epischicht auf Silizium entwickelt, auf der die Nanodraht-µLEDs gezüchtet werden. Daher sitzen die µLEDs nativ auf einem Si-Substrat und sind bereit für die Integration mit anderer CMOS-Elektronik.

Solche µLEDs haben ohne weiteres viele potenzielle Anwendungsszenarien. Die Geräteplattform würde durch die Erweiterung der Emissionswellenlänge in Rot für die integrierte RGB-Anzeige auf dem Chip robuster werden.