Els LED tradicionals han revolucionat el camp de la il·luminació i les pantalles a causa del seu rendiment superior en termes d'eficiència, estabilitat i mida del dispositiu. Els LED solen ser piles de pel·lícules semiconductores primes amb dimensions laterals de mil·límetres, molt més petites que els dispositius tradicionals com les bombetes incandescents i els tubs catòdics. Tanmateix, les aplicacions optoelectròniques emergents, com la realitat virtual i augmentada, requereixen LED de mida de micres o menys. L'esperança és que els LED a escala micro o submicrònica (µleds) continuïn tenint moltes de les qualitats superiors que ja tenen els LED tradicionals, com ara una emissió altament estable, una alta eficiència i brillantor, un consum d'energia ultrabaix i una emissió a tot color, alhora que siguin aproximadament un milió de vegades més petits en superfície, permetent pantalles més compactes. Aquests xips LED també podrien aplanar el camí per a circuits fotònics més potents si es poden fer créixer en un sol xip sobre Si i integrar-los amb electrònica complementària de semiconductors d'òxid metàl·lic (CMOS).
No obstant això, fins ara, aquests µleds han continuat sent difícils d'aconseguir, especialment en el rang de longitud d'ona d'emissió del verd al vermell. L'enfocament tradicional dels µ-leds de LED és un procés de dalt a baix en què les pel·lícules de pou quàntic (QW) d'InGaN es graven en dispositius a microescala mitjançant un procés de gravat. Mentre que els µleds de TiO2 de pel·lícula fina basats en QW d'InGaN han atret molta atenció a causa de moltes de les excel·lents propietats de l'InGaN, com ara el transport eficient del portador i l'ajustabilitat de la longitud d'ona en tot el rang visible, fins ara han estat afectats per problemes com ara el dany a la corrosió de la paret lateral que empitjora a mesura que la mida del dispositiu es redueix. A més, a causa de l'existència de camps de polarització, tenen inestabilitat de longitud d'ona/color. Per a aquest problema, s'han proposat solucions no polars i semipolars d'InGaN i de cavitat de cristall fotònic, però actualment no són satisfactòries.
En un nou article publicat a Light Science and Applications, investigadors dirigits per Zetian Mi, professor de la Universitat de Michigan, Annabel, han desenvolupat un LED verd de nitrur iii a escala submicrònica que supera aquests obstacles d'una vegada per totes. Aquests µleds es van sintetitzar mitjançant epitaxia de feix molecular assistida per plasma regional selectiva. En marcat contrast amb l'enfocament tradicional de dalt a baix, el µled aquí consisteix en una matriu de nanofils, cadascun de només 100 a 200 nm de diàmetre, separats per desenes de nanòmetres. Aquest enfocament de baix a dalt evita essencialment els danys a la corrosió de la paret lateral.
La part emissora de llum del dispositiu, també coneguda com a regió activa, està composta per estructures de pou quàntic múltiple (MQW) de nucli-escorça caracteritzades per una morfologia de nanofils. En particular, el MQW consisteix en el pou d'InGaN i la barrera d'AlGaN. A causa de les diferències en la migració dels àtoms adsorbits dels elements del Grup III, indi, gal·li i alumini a les parets laterals, vam descobrir que faltava indi a les parets laterals dels nanofils, on la capa de GaN/AlGaN embolicava el nucli del MQW com un burrito. Els investigadors van descobrir que el contingut d'Al d'aquesta capa de GaN/AlGaN disminuïa gradualment des del costat d'injecció d'electrons dels nanofils fins al costat d'injecció de forats. A causa de la diferència en els camps de polarització interns de GaN i AlN, aquest gradient de volum de contingut d'Al a la capa d'AlGaN indueix electrons lliures, que flueixen fàcilment cap al nucli del MQW i alleugen la inestabilitat del color reduint el camp de polarització.
De fet, els investigadors han descobert que per a dispositius de menys d'una micra de diàmetre, la longitud d'ona màxima de l'electroluminescència, o emissió de llum induïda per corrent, es manté constant en un ordre de magnitud del canvi en la injecció de corrent. A més, l'equip del professor Mi ha desenvolupat prèviament un mètode per fer créixer recobriments de GaN d'alta qualitat sobre silici per fer créixer leds de nanofils sobre silici. Així, un µled es troba sobre un substrat de Si llest per a la integració amb altres components electrònics CMOS.
Aquest µled té fàcilment moltes aplicacions potencials. La plataforma del dispositiu esdevindrà més robusta a mesura que la longitud d'ona d'emissió de la pantalla RGB integrada al xip s'expandeixi al vermell.
Data de publicació: 10 de gener de 2023