Herkömmliche LEDs haben den Bereich Beleuchtung und Anzeige aufgrund ihrer überlegenen Leistung in Bezug auf Effizienz, Stabilität und Gerätegröße revolutioniert.LEDs sind typischerweise Stapel dünner Halbleiterfilme mit seitlichen Abmessungen von Millimetern, die viel kleiner sind als herkömmliche Geräte wie Glühlampen und Kathodenröhren.Neue optoelektronische Anwendungen wie virtuelle und erweiterte Realität erfordern jedoch LEDs in der Größe von Mikrometern oder weniger.Die Hoffnung besteht darin, dass LEDs im Mikro- oder Submikronbereich (µLEDs) weiterhin viele der überlegenen Eigenschaften aufweisen, die herkömmliche LEDs bereits haben, wie z. B. äußerst stabile Emission, hohe Effizienz und Helligkeit, extrem niedriger Stromverbrauch und Vollfarbemission. Gleichzeitig ist die Fläche etwa eine Million Mal kleiner, was kompaktere Displays ermöglicht.Solche LED-Chips könnten auch den Weg für leistungsfähigere photonische Schaltkreise ebnen, wenn sie als Einzelchip auf Si gewachsen und in CMOS-Elektronik (Complementary Metal Oxide Semiconductor) integriert werden können.
Allerdings sind solche µLEDs bislang kaum erhältlich, insbesondere im grünen bis roten Emissionswellenlängenbereich.Der traditionelle µ-LED-Ansatz ist ein Top-Down-Prozess, bei dem InGaN-Quantentopffilme (QW) durch einen Ätzprozess in Geräte im Mikromaßstab geätzt werden.Während Dünnfilm-InGaN-QW-basierte tio2-µLEDs aufgrund vieler der hervorragenden Eigenschaften von InGaN, wie z. B. effizienter Ladungsträgertransport und Wellenlängenabstimmbarkeit im gesamten sichtbaren Bereich, große Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben, waren sie bisher mit Problemen wie Seitenwandproblemen behaftet Korrosionsschäden, die sich mit abnehmender Gerätegröße verschlimmern.Darüber hinaus weisen sie aufgrund der Existenz von Polarisationsfeldern eine Wellenlängen-/Farbinstabilität auf.Für dieses Problem wurden unpolare und semipolare InGaN- und photonische Kristallhohlraumlösungen vorgeschlagen, die jedoch derzeit nicht zufriedenstellend sind.
In einem neuen Artikel, der in Light Science and Applications veröffentlicht wurde, haben Forscher unter der Leitung von Zetian Mi, Professor an der University of Michigan, Annabel, eine grüne LED III-Nitrid im Submikron-Maßstab entwickelt, die diese Hindernisse ein für alle Mal überwindet.Diese µLEDs wurden durch selektive regionale plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxie synthetisiert.Im krassen Gegensatz zum traditionellen Top-Down-Ansatz besteht der µLED hier aus einer Anordnung von Nanodrähten mit einem Durchmesser von jeweils nur 100 bis 200 nm und einem Abstand von mehreren zehn Nanometern.Dieser Bottom-up-Ansatz vermeidet im Wesentlichen Korrosionsschäden an den Seitenwänden.
Der lichtemittierende Teil des Geräts, auch als aktiver Bereich bekannt, besteht aus Kern-Schale-Mehrfachquantentopfstrukturen (MQW), die durch Nanodrahtmorphologie gekennzeichnet sind.Insbesondere besteht das MQW aus der InGaN-Wanne und der AlGaN-Barriere.Aufgrund der unterschiedlichen Migration der adsorbierten Atome der Gruppe-III-Elemente Indium, Gallium und Aluminium an den Seitenwänden stellten wir fest, dass Indium an den Seitenwänden der Nanodrähte fehlte, wo die GaN/AlGaN-Hülle den MQW-Kern wie ein Burrito umhüllte.Die Forscher fanden heraus, dass der Al-Gehalt dieser GaN/AlGaN-Schale von der Elektroneninjektionsseite der Nanodrähte zur Löcherinjektionsseite allmählich abnahm.Aufgrund des Unterschieds in den internen Polarisationsfeldern von GaN und AlN induziert ein solcher Volumengradient des Al-Gehalts in der AlGaN-Schicht freie Elektronen, die leicht in den MQW-Kern fließen und die Farbinstabilität durch Reduzierung des Polarisationsfelds mildern.
Tatsächlich haben die Forscher herausgefunden, dass bei Geräten mit einem Durchmesser von weniger als einem Mikrometer die Spitzenwellenlänge der Elektrolumineszenz oder strominduzierten Lichtemission in einer Größenordnung der Änderung der Strominjektion konstant bleibt.Darüber hinaus hat das Team von Professor Mi zuvor eine Methode zum Züchten hochwertiger GaN-Beschichtungen auf Silizium entwickelt, um Nanodraht-LEDs auf Silizium wachsen zu lassen.Somit sitzt ein µLED auf einem Si-Substrat und ist bereit für die Integration mit anderer CMOS-Elektronik.
Diese µLED hat problemlos viele potenzielle Anwendungen.Die Geräteplattform wird robuster, da sich die Emissionswellenlänge des integrierten RGB-Displays auf dem Chip auf Rot ausdehnt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 10. Januar 2023