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 strati di sottili film semiconduttori con dimensioni laterali di millimetri, molto più piccoli 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 pari o inferiori a micron. La speranza è che i LED su scala micro o submicronica (µled) continuino ad avere molte delle qualità superiori dei 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 area, consentendo display più compatti. Questi chip LED potrebbero anche aprire la strada a circuiti fotonici più potenti se potessero essere sviluppati su chip singolo su Si e integrati con componenti elettronici a semiconduttore a ossido di metallo complementare (CMOS).
Tuttavia, finora, tali µled sono rimasti poco sviluppati, soprattutto nell'intervallo di lunghezze d'onda di emissione dal verde al rosso. Il tradizionale approccio µ-led a LED è un processo top-down in cui i film di pozzo quantico (QW) di InGaN vengono incisi in dispositivi su scala micro attraverso un processo di incisione. Sebbene i µled a film sottile di InGaN basati su QW di tio2 abbiano attirato molta attenzione grazie a molte delle eccellenti proprietà di InGaN, come l'efficiente trasporto dei portatori e la sintonizzabilità della lunghezza d'onda in tutto lo spettro del visibile, finora sono stati afflitti da problemi come i danni da corrosione delle pareti laterali che peggiorano 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 apolari e semipolari in InGaN e cavità a cristallo fotonico, 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 a fasci molecolari selettiva regionale assistita da plasma. In netto contrasto con il tradizionale approccio top-down, il µled in questione è costituito da una matrice di nanofili, ciascuno con un diametro compreso tra 100 e 200 nm, separati da decine di nanometri. Questo approccio bottom-up evita sostanzialmente i danni da corrosione laterale delle pareti.
La parte luminosa del dispositivo, nota anche come regione attiva, è composta da strutture a pozzo quantico multiplo (MQW) a nucleo-guscio caratterizzate da una morfologia a nanofili. In particolare, il MQW è costituito dal pozzo in InGaN e dalla barriera in 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 mancava sulle pareti laterali dei nanofili, dove il guscio in GaN/AlGaN avvolgeva il nucleo MQW come un burrito. I ricercatori hanno scoperto che il contenuto di Al di questo guscio in 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 attenuano 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, ovvero l'emissione di luce indotta dalla corrente, rimane costante per un ordine di grandezza pari alla variazione di corrente iniettata. Inoltre, il team del Professor Mi ha precedentemente sviluppato un metodo per la crescita di rivestimenti in GaN di alta qualità su silicio per la produzione di LED a nanofili su silicio. Pertanto, un µLED poggia 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 al rosso.
Data di pubblicazione: 10-gen-2023