I LED tradizionali hanno rivoluzionato il settore dell'illuminazione e dei display grazie alle loro prestazioni superiori in termini di efficienza, stabilità e dimensioni. I LED sono tipicamente costituiti da pile di sottili pellicole semiconduttrici con dimensioni laterali di millimetri, molto più piccole rispetto ai dispositivi tradizionali come le lampadine a incandescenza e i tubi catodici. Tuttavia, le applicazioni optoelettroniche emergenti, come la realtà virtuale e aumentata, richiedono LED di dimensioni micrometriche o inferiori. La speranza è che i LED su scala micro o submicrometrica (µLED) mantengano molte delle qualità superiori già presenti nei LED tradizionali, come l'emissione altamente stabile, l'elevata efficienza e luminosità, il consumo energetico estremamente basso e l'emissione a colori, pur essendo circa un milione di volte più piccoli in termini di superficie, consentendo display più compatti. Tali chip LED potrebbero anche aprire la strada a circuiti fotonici più potenti se potessero essere prodotti su singolo chip di silicio e integrati con l'elettronica CMOS (complementary metal-oxide semiconductor).
Tuttavia, finora, tali µLED sono rimasti irraggiungibili, soprattutto nella gamma di lunghezze d'onda di emissione dal verde al rosso. L'approccio tradizionale per i µLED è un processo top-down in cui film di pozzi quantici (QW) di InGaN vengono incisi in dispositivi su scala micrometrica tramite un processo di incisione. Sebbene i µLED a film sottile basati su pozzi quantici di InGaN e TiO2 abbiano attirato molta attenzione grazie alle numerose eccellenti proprietà dell'InGaN, come l'efficiente trasporto di portatori di carica e la sintonizzabilità della lunghezza d'onda nell'intero spettro visibile, finora sono stati afflitti da problemi come la corrosione delle pareti laterali, che peggiora con la riduzione delle dimensioni del dispositivo. Inoltre, a causa della presenza di campi di polarizzazione, presentano instabilità di lunghezza d'onda/colore. Per questo problema, sono state proposte soluzioni con InGaN non polare e semi-polare e cavità a cristallo fotonico, ma al momento non risultano soddisfacenti.
In un nuovo articolo pubblicato su Light Science and Applications, i ricercatori guidati da Zetian Mi, professore all'Università del Michigan, Annabel, hanno sviluppato un LED verde su scala submicronica a base di nitruro di gallio (µLED) che supera definitivamente questi ostacoli. Questi µLED sono stati sintetizzati mediante epitassia a fascio molecolare assistita da plasma (PBA) selettiva regionale. In netto contrasto con il tradizionale approccio top-down, il µLED in questione è costituito da una matrice di nanofili, ciascuno con un diametro di soli 100-200 nm, separati da decine di nanometri. Questo approccio bottom-up evita essenzialmente i danni da corrosione laterale delle pareti.
La parte emittente del dispositivo, nota anche come regione attiva, è composta da strutture a pozzo quantico multiplo (MQW) core-shell caratterizzate da una morfologia a nanofilo. In particolare, l'MQW è costituito da un pozzo di InGaN e da una barriera di 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 l'indio era assente sulle pareti laterali dei nanofili, dove il guscio di GaN/AlGaN avvolgeva il nucleo MQW come un burrito. I ricercatori hanno scoperto che il contenuto di Al in questo guscio di 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 interni 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 con diametro inferiore a un micron, la lunghezza d'onda di picco dell'elettroluminescenza, o emissione di luce indotta dalla corrente, rimane costante di un ordine di grandezza rispetto alla variazione dell'iniezione di corrente. Inoltre, il team del professor Mi ha precedentemente sviluppato un metodo per far crescere rivestimenti di GaN di alta qualità sul silicio per far crescere LED a nanofili sul silicio. In questo modo, un micro-LED si trova su un substrato di silicio pronto per l'integrazione con altri componenti elettronici CMOS.
Questo microLED ha facilmente numerose potenziali applicazioni. La piattaforma del dispositivo diventerà più robusta man mano che la lunghezza d'onda di emissione del display RGB integrato sul chip si estenderà al rosso.
Data di pubblicazione: 10 gennaio 2023