ИЗОБРАЖЕНИЕ: (A) СХЕМА НАНОПРОВОДНОЙ МАССИВА ИНГАНА/АГАНА С МНОГОКВАНТОВЫМИ ЯМАМИ. (Б) ПИКОВАЯ ДЛИНА ВОЛН ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ УСТРОЙСТВА ОСТАЕТСЯ ПОСТОЯННОЙ НА ОДНОМ ПОРЯДКЕ ВЕЛИЧИНЫ ИЗМЕНЕНИЯ ТОКА. (C) ТЕКУЩИЕ НАПРЯЖИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТРОЙСТВА, КОТОРОЕ ПОКАЗЫВАЕТ ХОРОШИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ВЫПРЯМЕНИЯ И СИЛЬНОЕ ЗЕЛЕНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ВИДИМОЕ ГЛАЗАМИ.
Авторы: Юаньпэн Ву, Исинь Сяо, Иштиаке Навид, Кай Сунь, Якшита Малхотра, Пин Ван, Дин Ван, Юаньсян Сюй, Аюш Пандей, Реддеппа Маддака, Уолтер Шин, Цзяннань Лю, Чон Вук. МИН, ЗЕТЯН МИ
Благодаря своим превосходным свойствам эффективности, стабильности и объема устройства, обычные светодиоды (LED) уже произвели революцию в мире освещения и дисплеев. Светодиоды обычно представляют собой стопки тонких полупроводниковых пленок с поперечными размерами порядка миллиметров, что намного меньше, чем у традиционных устройств, таких как лампы накаливания и катодные трубки. Тем не менее, новые оптоэлектронные приложения, такие как виртуальная и дополненная реальность, требуют светодиодов с размерами в микрометрах или меньше. Желательно, чтобы светодиоды микро- или субмикронного масштаба (мкСД) продолжали обладать многими превосходными качествами, которыми уже обладают обычные светодиоды, такими как очень стабильное излучение, высокая эффективность и яркость, сверхнизкое энергопотребление и полноцветное излучение, будучи при этом примерно в один миллион раз меньше по площади, что позволяет создавать гораздо более компактные дисплеи. Такие микросветодиоды также проложат путь для гораздо более мощных фотонных схем, если их можно будет монолитно вырастить на кремнии для интеграции с дополнительной электроникой металл-оксид-полупроводник (КМОП).
Однако на сегодняшний день такие микросветодиоды остаются неуловимыми, особенно в диапазоне длин волн излучения от зеленого до красного. Традиционный подход к созданию микросветодиодов представляет собой нисходящий процесс, в котором тонкие пленки с квантовыми ямами (КЯ) InGaN преобразуются в устройства с размерами микромасштаба посредством процессов травления. Хотя тонкопленочные микросветодиоды на основе квантовых ям InGaN привлекли большое внимание благодаря многим желательным свойствам InGaN, таким как эффективный транспорт носителей заряда и возможность настройки длины волны во всем видимом диапазоне, до сих пор они страдают от таких проблем, как травление боковых стенок, которое ухудшается по мере уменьшения размера устройства. Кроме того, они страдают от нестабильности длины волны/цвета из-за полей поляризации, для которых были предложены такие решения, как неполярный и семиполярный InGaN и фотонно-кристаллические резонаторы, но пока они оказались неудовлетворительными.
В новой статье, опубликованной в журнале Light Science & Application, исследователи под руководством профессора Зетиан Ми из Мичиганского университета в Анн-Арборе, США, разработали зеленые микросветодиоды субмикронного размера из III-нитрида, которые одновременно преодолевают эти барьеры. Эти микросветодиоды синтезируются с помощью селективной плазменной молекулярно-лучевой эпитаксии. В отличие от традиционного подхода «сверху вниз», микросветодиоды здесь состоят из массивов нанопроволок, каждая из которых имеет диаметр всего 100–200 нм и находится на расстоянии десятков нанометров друг от друга. Такой подход «снизу вверх» позволяет избежать повреждений боковин, вызванных травлением.
Светоизлучающая часть устройства, также известная как активная область, состоит из структуры «ядро-оболочка» с несколькими квантовыми ямами (MQW), уникальной для морфологии нанопроволоки. В частности, МКЯ состоит из ям InGaN и барьеров AlGaN. Из-за различий в миграции адатомов на боковой стенке между элементами группы III, такими как индий, галлий и алюминий, индий отсутствует на боковых стенках нанопроволоки, где оболочка GaN/AlGaN оборачивает ядро MQW, как буррито. Исследователи обнаружили, что содержание Al в этой оболочке GaN/AlGaN уменьшается от стороны инжекции электронов к стороне инжекции дырок нанопроволоки. Из-за разницы во внутреннем поле поляризации между GaN и AlN такой объемный градиент содержания Al в слоях AlGaN индуцирует свободные электроны, которые могут легко течь в ядро MQW, чтобы уменьшить нестабильность цвета за счет уменьшения полей поляризации.
Действительно, исследователи обнаружили, что пиковая длина волны электролюминесценции, или светового излучения, индуцированного электрическим током, остается постоянной в течение одного порядка изменения тока инжекции для устройства диаметром менее одного микрометра. Более того, группа профессора Ми ранее разработала метод выращивания высококачественного слоя GaN на кремнии, поверх которого выращиваются нанопроволочные микросветодиоды. Таким образом, микросветодиоды изначально расположены на кремниевой подложке и готовы к интеграции с другой КМОП-электроникой.
Такие микросветодиоды имеют множество потенциальных сценариев применения. Платформа устройства станет более надежной за счет расширения длины волны излучения до красного цвета для встроенного RGB-дисплея.
Время публикации: 01 ноября 2022 г.