OBRAZ: (A) SCHEMAT MACIERZY WIELU KWANTOWYCH NANODRUTÓW INGAN/AGAN. (B) SZCZYTOWA DŁUGOŚĆ FALI ELEKTROLUMINESCENCJI URZĄDZENIA POZOSTAJE STAŁA W PONAD JEDNYM RZĘDZIE Wielkości ZMIANY PRĄDU WTRYSKU. (C) CHARAKTERYSTYKA NAPIĘCIA PRĄDU URZĄDZENIA, KTÓRE WYKAZUJE DOBRY WSPÓŁCZYNNIK PROSTOWANIA I SILNĄ EMISJĘ ZIELONĄ WIDOCZNĄ OCZAMI.
KREDYT: 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
Ze względu na swoje doskonałe właściwości w zakresie wydajności, stabilności i objętości urządzenia, konwencjonalne diody elektroluminescencyjne (LED) zrewolucjonizowały już świat oświetlenia i wyświetlaczy. Diody LED to zazwyczaj stosy cienkich warstw półprzewodników o wymiarach bocznych rzędu milimetrów, które są znacznie mniejsze niż tradycyjne urządzenia, takie jak żarówki i lampy katodowe. Jednak pojawiające się zastosowania optoelektroniczne, takie jak rzeczywistość wirtualna i rozszerzona, wymagają diod LED o wymiarach w skali mikrometrów lub mniejszych. Pożądane jest, aby diody LED w skali mikro lub submikronowej (µLED) nadal posiadały wiele doskonałych właściwości, które mają już konwencjonalne diody LED, takie jak bardzo stabilna emisja, wysoka wydajność i jasność, bardzo niskie zużycie energii i emisja pełnokolorowych, a jednocześnie mają około milion razy mniejszą powierzchnię, co pozwala na znacznie bardziej zwarty wyświetlacz. Takie diody µLED utorowałyby również drogę znacznie potężniejszym obwodom fotonicznym, gdyby można je było monolitycznie hodować na Si w celu integracji z komplementarną elektroniką złożoną z tlenków metali i półprzewodników (CMOS).
Jednak do chwili obecnej takie µLED pozostają nieuchwytne, szczególnie w zakresie długości fal emisji od zielonego do czerwonego. Konwencjonalne podejście do µLED to proces odgórny, podczas którego cienkie warstwy studni kwantowej InGaN (QW) są formowane w urządzenia o wymiarach w mikroskali poprzez procesy trawienia. Chociaż cienkowarstwowe diody µLED oparte na InGaN QW przyciągają wiele uwagi ze względu na wiele pożądanych właściwości InGaN, takich jak wydajny transport nośnika ładunku i możliwość przestrajania długości fali w całym zakresie widzialnym, jak dotąd borykają się z takimi problemami, jak uszkodzenia spowodowane trawieniem ścian bocznych, które pogarszają się wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru urządzenia. Ponadto charakteryzują się niestabilnością długości fali/koloru wynikającą z pól polaryzacyjnych, dla których zaproponowano rozwiązania takie jak niepolarne i semipolarne InGaN oraz wnęki kryształu fotonicznego, ale jak dotąd okazały się one niezadowalające.
W nowym artykule opublikowanym w Light Science & Application naukowcy pod kierunkiem profesora Zetiana Mi z Uniwersytetu Michigan w Ann Arbor w USA opracowali zielone diody µLED w skali submikronowej z azotkiem III, które jednocześnie pokonują te bariery. Te µLED są syntetyzowane za pomocą epitaksji z selektywnej wiązki molekularnej wspomaganej plazmą. W przeciwieństwie do konwencjonalnego podejścia „z góry na dół”, µLED składają się tutaj z układów nanodrutów, z których każdy ma średnicę zaledwie 100–200 nm i są oddalone od siebie o dziesiątki nanometrów. Takie podejście oddolne samo w sobie pozwala uniknąć uszkodzeń spowodowanych trawieniem ścian bocznych.
Część emitująca światło urządzenia, znana również jako obszar aktywny, składa się ze struktury wielu studni kwantowych (MQW) typu rdzeń-powłoka, która jest unikalna dla morfologii nanodrutu. W szczególności MQW składa się ze studni InGaN i barier AlGaN. Ze względu na różnice w migracji adatomów na ściance bocznej pomiędzy pierwiastkami grupy III, takimi jak ind, gal i aluminium, stwierdzono, że ind nie występuje na ściankach bocznych nanodrutu, gdzie powłoka GaN/AlGaN owija rdzeń MQW jak burrito. Naukowcy odkryli, że zawartość Al w tej powłoce GaN/AlGaN zmniejsza się od strony wtrysku elektronów do strony wtrysku dziur w nanodrucie. Ze względu na różnicę w wewnętrznym polu polaryzacji między GaN i AlN, taki masowy gradient zawartości Al w warstwach AlGaN indukuje wolne elektrony, które mogą łatwo przepływać do rdzenia MQW, aby złagodzić niestabilność koloru poprzez złagodzenie pól polaryzacyjnych.
Rzeczywiście naukowcy odkryli, że szczytowa długość fali elektroluminescencji, czyli emisji światła indukowanej prądem elektrycznym, pozostaje stała w przypadku zmiany wtrysku prądu o jeden rząd wielkości w przypadku urządzenia o średnicy mniejszej niż jeden mikrometr. Co więcej, grupa prof. Mi opracowała już wcześniej metodę hodowania wysokiej jakości epiwarstwy GaN na krzemie, na której hodowane są nanodruty µLED. W związku z tym diody µLED są natywnie osadzone na podłożu Si i gotowe do integracji z inną elektroniką CMOS.
Takie µLED z łatwością mają wiele potencjalnych scenariuszy zastosowań. Platforma urządzenia stałaby się solidniejsza dzięki rozszerzeniu długości fali emisji na kolor czerwony dla zintegrowanego wyświetlacza RGB na chipie.
Czas publikacji: 01 listopada 2022 r