Micro LEDs InGaN verdes estáveis ​​com comprimento de onda cultivados monoliticamente em substrato de silício

IMAGEM: (A) ESQUEMA DO NANOWIRE ARRAY DE MÚLTIPLOS POÇOS QUÂNTICOS INGAN/AGAN. (B) O PICO DO COMPRIMENTO DE ONDA DA ELETROLUMINESCÊNCIA DO DISPOSITIVO PERMANECE CONSTANTE ACIMA DE UMA ORDEM DE MAGNITUDE DE MUDANÇA NA INJEÇÃO ATUAL. (C) AS CARACTERÍSTICAS DE TENSÃO ATUAL DE UM DISPOSITIVO QUE APRESENTA BOA RELAÇÃO DE RETIFICAÇÃO E FORTE EMISSÃO VERDE VISÍVEL AOS OLHOS.
CRÉDITO: POR 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
Devido às suas propriedades superiores em eficiência, estabilidade e volume do dispositivo, os diodos emissores de luz (LEDs) convencionais já revolucionaram o mundo da iluminação e dos displays. Os LEDs são normalmente pilhas de filmes finos semicondutores com dimensões laterais da ordem de milímetros, que são muito menores do que os dispositivos tradicionais, como as lâmpadas incandescentes e os tubos catódicos. No entanto, aplicações optoeletrônicas emergentes, como realidade virtual e aumentada, exigem LEDs com dimensões na escala de micrômetros ou menores. É desejado que os LEDs em escala micro ou submícron (µLEDs) continuem a possuir as muitas qualidades superiores que os LEDs convencionais já possuem, como emissão altamente estável, alta eficiência e brilho, consumo de energia ultrabaixo e emissão colorida, ao mesmo tempo em que são cerca de um milhão de vezes menores em área, permitindo uma exibição muito mais compacta. Esses µLEDs também abririam caminho para circuitos fotônicos muito mais poderosos se pudessem ser cultivados monoliticamente em Si para integração com eletrônicos semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS).

Até o momento, no entanto, tais µLEDs permanecem indescritíveis, especialmente na faixa de comprimento de onda de emissão do verde ao vermelho. A abordagem convencional para µLEDs é um processo de cima para baixo no qual filmes finos de poço quântico (QW) InGaN são padronizados em dispositivos com dimensões em microescala por meio de processos de gravação. Embora os µLEDs baseados em InGaN QW de filme fino tenham atraído muita atenção devido a muitas propriedades desejáveis ​​​​do InGaN, como transporte eficiente de portadores de carga e ajuste de comprimento de onda em toda a faixa visível, até agora eles têm sofrido de problemas como danos por corrosão na parede lateral que pioram à medida que o tamanho do dispositivo diminui. Além disso, eles sofrem de instabilidade de comprimento de onda/cor devido aos campos de polarização, para os quais soluções como InGaN não polar e semipolar e cavidades de cristal fotônico foram propostas, mas até agora têm sido insatisfatórias.

Em um novo artigo publicado na Light Science & Application, pesquisadores liderados pelo professor Zetian Mi, da Universidade de Michigan em Ann Arbor, EUA, desenvolveram µLEDs verdes em escala submícron de nitreto III que superam essas barreiras de uma só vez. Esses µLEDs são sintetizados com epitaxia de feixe molecular assistida por plasma de área seletiva. Em total contraste com a abordagem convencional de cima para baixo, os µLEDs aqui consistem em matrizes de nanofios, cada um com apenas 100 ~ 200 nm de diâmetro e dezenas de nanômetros de distância. Essa abordagem de baixo para cima evita intrinsecamente danos por corrosão nas paredes laterais.

A parte emissora de luz do dispositivo, também conhecida como região ativa, consiste em uma estrutura de múltiplos poços quânticos (MQW) core-shell que é exclusiva da morfologia do nanofio. Em particular, o MQW consiste em poços InGaN e barreiras AlGaN. Devido às diferenças na migração de adatom na parede lateral entre os elementos do grupo III de índio, gálio e alumínio, o índio está ausente nas paredes laterais do nanofio, onde uma concha de GaN/AlGaN envolve o núcleo MQW como um burrito. Os pesquisadores descobriram que o conteúdo de Al desta camada de GaN/AlGaN diminui do lado da injeção de elétrons para o lado da injeção do buraco do nanofio. Devido à diferença no campo de polarização interna entre GaN e AlN, tal gradiente em massa no conteúdo de Al nas camadas de AlGaN induz elétrons livres, que podem fluir facilmente para o núcleo MQW para aliviar a instabilidade da cor, mitigando os campos de polarização.

Na verdade, os pesquisadores descobriram que o comprimento de onda máximo da eletroluminescência, ou emissão de luz induzida por corrente elétrica, permanece constante ao longo de uma ordem de grandeza de mudança na injeção de corrente, para um dispositivo com diâmetro inferior a um micrômetro. Além disso, o grupo do Prof. Mi já desenvolveu um método para cultivar epilayer GaN de alta qualidade em silício, sobre o qual os µLEDs de nanofios são cultivados. Como tal, os µLEDs ficam nativamente em um substrato de Si, prontos para integração com outros componentes eletrônicos CMOS.

Esses µLEDs têm muitos cenários de aplicação potenciais. A plataforma do dispositivo se tornaria mais robusta com a extensão do comprimento de onda de emissão para vermelho para exibição RGB integrada no chip.