画像: (A) INGAN/AGAN 多量子井戸ナノワイヤ アレイの回路図。 (B) デバイスのエレクトロルミネッセンスのピーク波長は、電流注入の変化の大きさの 1 桁以上一定のままです。 (C) 良好な整流比と目に見える強い緑色発光を示すデバイスの電流電圧特性。
クレジット: 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、ゼティアン・ミ
従来の発光ダイオード (LED) は、効率、安定性、デバイス容積の点で優れた特性を備えているため、すでに照明とディスプレイの世界に革命をもたらしています。 LED は通常、横方向の寸法がミリメートル程度の半導体薄膜の積層体であり、白熱電球や陰極管などの従来のデバイスよりもはるかに小さいです。しかし、仮想現実や拡張現実などの新たなオプトエレクトロニクス アプリケーションでは、マイクロメートル以下の寸法の LED が求められています。マイクロまたはサブミクロンスケールの LED (μLED) は、高安定発光、高効率および高輝度、超低消費電力、フルカラー発光など、従来の LED がすでに備えている多くの優れた特性を引き続き備えながら、面積が約 100 万分の 1 で、よりコンパクトなディスプレイを可能にすることが望まれています。このようなμLEDをSi上にモノリシックに成長させて相補型金属酸化膜半導体（CMOS）エレクトロニクスと統合できれば、より強力なフォトニック回路への道も開かれるだろう。

しかし、現在に至るまで、そのような µLED は、特に緑から赤の発光波長範囲ではとらえどころのないままです。 µLED への従来のアプローチは、エッチング プロセスを介して InGaN 量子井戸 (QW) 薄膜をマイクロスケールの寸法のデバイスにパターン化するトップダウン プロセスです。薄膜 InGaN QW ベースの µLED は、効率的な電荷キャリア輸送や可視範囲全体にわたる波長可変性など、InGaN の多くの望ましい特性により多くの注目を集めていますが、これまでのところ、デバイス サイズが縮小するにつれて悪化する側壁のエッチング損傷などの問題に悩まされてきました。さらに、それらは偏光場による波長/色の不安定性を抱えており、これに対して無極性および半極性のInGaNやフォトニック結晶共振器などの解決策が提案されているが、これまでのところ満足できるものではない。

Light Science & Applicationに掲載された新しい論文の中で、米国アナーバーにあるミシガン大学のZetian Mi教授率いる研究者らは、これらの障壁を一度に克服するIII族窒化物サブミクロンスケールの緑色μLEDを開発した。これらの µLED は、選択領域プラズマ支援分子線エピタキシーを使用して合成されます。従来のトップダウンアプローチとはまったく対照的に、ここでのμLEDはナノワイヤのアレイで構成されており、それぞれの直径はわずか100～200nmで、間隔は数十ナノメートルです。このようなボトムアップのアプローチは本質的に側壁のエッチングによる損傷を回避します。

活性領域としても知られるデバイスの発光部分は、ナノワイヤ形態に特有のコアシェル多重量子井戸 (MQW) 構造で構成されています。特に、MQW は InGaN ウェルと AlGaN バリアで構成されます。インジウム、ガリウム、アルミニウムのIII族元素間の側壁での吸着原子の移動の違いにより、ナノワイヤの側壁にはインジウムが存在しないことがわかり、そこではGaN/AlGaNシェルがブリトーのようにMQWコアを包みます。研究者らは、このGaN/AlGaNシェルのAl含有量が、ナノワイヤの電子注入側から正孔注入側に向かって減少することを発見した。 GaN と AlN の内部分極場の違いにより、AlGaN 層の Al 含有量のバルク勾配により自由電子が誘発され、自由電子が MQW コアに容易に流れ込み、分極場を緩和することで色の不安定性が緩和されます。

実際、研究者らは、直径が1マイクロメートル未満のデバイスでは、エレクトロルミネッセンス、つまり電流誘起光の放出のピーク波長が、電流注入の1桁の変化にわたって一定のままであることを発見した。さらに、Mi教授のグループは以前、シリコン上に高品質のGaNエピ層を成長させ、その上にナノワイヤμLEDを成長させる方法を開発した。そのため、μLED は Si 基板上にネイティブに配置され、他の CMOS 電子機器と統合する準備ができています。

このような µLED には、多くの潜在的な応用シナリオがすぐにあります。デバイスのプラットフォームは、オンチップ統合 RGB ディスプレイ用に発光波長を赤色に拡張することで、より堅牢になります。