Os LED tradicionais revolucionaron o campo da iluminación e as pantallas debido ao seu rendemento superior en termos de eficiencia, estabilidade e tamaño do dispositivo. Os LED son normalmente pilas de películas semicondutoras delgadas con dimensións laterais de milímetros, moito máis pequenas que as dos dispositivos tradicionais como as lámpadas incandescentes e os tubos catódicos. Non obstante, as aplicacións optoelectrónicas emerxentes, como a realidade virtual e aumentada, requiren LED cun tamaño de micras ou menos. A esperanza é que os LED a escala micro ou submicrónica (µleds) sigan tendo moitas das calidades superiores que xa teñen os LED tradicionais, como a emisión altamente estable, a alta eficiencia e brillo, o consumo de enerxía ultrabaixo e a emisión a toda cor, ao mesmo tempo que sexan aproximadamente un millón de veces máis pequenos en área, o que permite pantallas máis compactas. Estes chips LED tamén poderían allanar o camiño para circuítos fotónicos máis potentes se se poden cultivar nun só chip en Si e integrar con electrónica complementaria de semicondutores de óxido metálico (CMOS).
Non obstante, ata o de agora, estes µleds seguiron sendo difíciles de atopar, especialmente no rango de lonxitudes de onda de emisión do verde ao vermello. A abordaxe tradicional de µ-led con leds é un proceso descendente no que as películas de pozos cuánticos (QW) de InGaN se gravan en dispositivos a microescala mediante un proceso de gravado. Aínda que os µleds de tio2 de película fina baseados en QW de InGaN chamaron moita atención debido a moitas das excelentes propiedades do InGaN, como o transporte eficiente de portadores e a sintonización da lonxitude de onda en todo o rango visible, ata agora estiveron afectados por problemas como a corrosión das paredes laterais que empeora a medida que o tamaño do dispositivo se reduce. Ademais, debido á existencia de campos de polarización, teñen inestabilidade de lonxitude de onda/cor. Para este problema, propuxéronse solucións non polares e semipolares de InGaN e cavidades de cristal fotónico, pero non son satisfactorias no momento actual.
Nun novo artigo publicado en Light Science and Applications, investigadores dirixidos por Zetian Mi, profesor da Universidade de Míchigan, Annabel, desenvolveron un LED verde de nitruro III a escala submicrónica que supera estes obstáculos de forma definitiva. Estes µleds sintetizáronse mediante epitaxia de feixe molecular asistida por plasma rexional selectiva. En marcado contraste coa abordaxe tradicional de arriba abaixo, o µled que se presenta aquí consiste nunha matriz de nanofíos, cada un de só 100 a 200 nm de diámetro, separados por decenas de nanómetros. Esta abordaxe de abaixo a arriba evita esencialmente os danos por corrosión nas paredes laterais.
A parte emisora de luz do dispositivo, tamén coñecida como rexión activa, está composta por estruturas núcleo-casca de pozos cuánticos múltiples (MQW) caracterizadas pola súa morfoloxía de nanofíos. En particular, o MQW consiste no pozo de InGaN e na barreira de AlGaN. Debido ás diferenzas na migración dos átomos adsorbidos dos elementos do Grupo III, indio, galio e aluminio nas paredes laterais, descubrimos que faltaba indio nas paredes laterais dos nanofíos, onde a casca de GaN/AlGaN envolvía o núcleo do MQW como un burrito. Os investigadores descubriron que o contido de Al desta casca de GaN/AlGaN diminuía gradualmente desde o lado de inxección de electróns dos nanofíos ata o lado de inxección de buratos. Debido á diferenza nos campos de polarización internos de GaN e AlN, este gradiente de volume de contido de Al na capa de AlGaN induce electróns libres, que flúen facilmente cara ao núcleo do MQW e alivian a inestabilidade da cor ao reducir o campo de polarización.
De feito, os investigadores descubriron que para dispositivos de menos dun micrón de diámetro, a lonxitude de onda máxima da electroluminescencia, ou emisión de luz inducida por corrente, permanece constante nunha orde de magnitude do cambio na inxección de corrente. Ademais, o equipo do profesor Mi xa desenvolvera previamente un método para cultivar revestimentos de GaN de alta calidade en silicio para cultivar leds de nanofíos en silicio. Deste xeito, un µled aséntase sobre un substrato de Si listo para a integración con outros dispositivos electrónicos CMOS.
Este µled ten facilmente moitas aplicacións potenciais. A plataforma do dispositivo farase máis robusta a medida que a lonxitude de onda de emisión da pantalla RGB integrada no chip se expanda ao vermello.
Data de publicación: 10 de xaneiro de 2023