I LED tradizionali hanno rivoluzionato il campo dell'illuminazione e dei display grazie alle loro prestazioni superiori in termini di efficienza, stabilità e dimensioni del dispositivo.I LED sono tipicamente pile di sottili pellicole semiconduttrici con dimensioni laterali di millimetri, molto più piccole dei dispositivi tradizionali come lampadine a incandescenza e tubi catodici.Tuttavia, le applicazioni optoelettroniche emergenti, come la realtà virtuale e aumentata, richiedono LED di dimensioni pari o inferiori a micron.La speranza è che i LED su scala micro o submicronica (μled) continuino ad avere molte delle qualità superiori già presenti nei LED tradizionali, come emissione altamente stabile, efficienza e luminosità elevate, consumo energetico estremamente basso ed emissione a colori. pur avendo un'area circa un milione di volte più piccola, consentendo display più compatti.Tali chip led potrebbero anche aprire la strada a circuiti fotonici più potenti se potessero essere sviluppati come chip singolo su Si e integrati con l’elettronica CMOS (semiconduttore di ossido di metallo complementare).
Tuttavia, finora tali µled sono rimasti sfuggenti, soprattutto nell'intervallo di lunghezze d'onda di emissione dal verde al rosso.Il tradizionale approccio led µ-led è un processo top-down in cui le pellicole InGaN quantum well (QW) vengono incise in dispositivi su microscala attraverso un processo di incisione.Sebbene i µled tio2 basati su QW InGaN a film sottile abbiano attirato molta attenzione grazie a molte delle eccellenti proprietà di InGaN, come l'efficiente trasporto della portante e la sintonizzabilità della lunghezza d'onda in tutto l'intervallo visibile, fino ad ora sono stati afflitti da problemi come la parete laterale danni da corrosione che peggiorano con la riduzione delle dimensioni del dispositivo.Inoltre, a causa dell’esistenza di campi di polarizzazione, presentano instabilità di lunghezza d’onda/colore.Per questo problema sono state proposte soluzioni di InGaN non polare e semipolare e di cavità a cristalli fotonici, ma al momento non sono soddisfacenti.
In un nuovo articolo pubblicato su Light Science and Applications, i ricercatori guidati da Zetian Mi, professore presso l’Università del Michigan, Annabel, hanno sviluppato un LED verde iii – nitruro su scala submicronica che supera questi ostacoli una volta per tutte.Questi µled sono stati sintetizzati mediante epitassia regionale selettiva del fascio molecolare assistita da plasma.In netto contrasto con il tradizionale approccio top-down, il µled qui è costituito da una serie di nanofili, ciascuno di soli 100-200 nm di diametro, separati da decine di nanometri.Questo approccio dal basso verso l’alto evita essenzialmente danni da corrosione delle pareti laterali.
La parte che emette luce del dispositivo, nota anche come regione attiva, è composta da strutture MQW (core-shell multiple well well) caratterizzate dalla morfologia dei nanofili.In particolare, il MQW è costituito dal pozzo InGaN e dalla barriera AlGaN.A causa delle differenze nella migrazione degli atomi adsorbiti degli elementi del Gruppo III indio, gallio e alluminio sulle pareti laterali, abbiamo scoperto che mancava indio sulle pareti laterali dei nanofili, dove il guscio GaN/AlGaN avvolgeva il nucleo MQW come un burrito.I ricercatori hanno scoperto che il contenuto di Al di questo guscio GaN/AlGaN diminuiva gradualmente dal lato di iniezione degli elettroni dei nanofili al lato di iniezione delle lacune.A causa della differenza nei campi di polarizzazione interna di GaN e AlN, tale gradiente di volume del contenuto di Al nello strato di AlGaN induce elettroni liberi, che fluiscono facilmente nel nucleo MQW e alleviano l'instabilità del colore riducendo il campo di polarizzazione.
Infatti, i ricercatori hanno scoperto che per dispositivi di diametro inferiore a un micron, la lunghezza d'onda di picco dell'elettroluminescenza, o emissione di luce indotta dalla corrente, rimane costante su un ordine di grandezza della variazione dell'iniezione di corrente.Inoltre, il team del professor Mi ha precedentemente sviluppato un metodo per coltivare rivestimenti GaN di alta qualità su silicio per far crescere LED nanofili su silicio.Pertanto, un µled si trova su un substrato di Si pronto per l'integrazione con altri componenti elettronici CMOS.
Questo µled ha facilmente molte potenziali applicazioni.La piattaforma del dispositivo diventerà più robusta man mano che la lunghezza d'onda di emissione del display RGB integrato nel chip si espanderà fino al rosso.
Orario di pubblicazione: 10 gennaio 2023