O LED tradicional revolucionou o campo da iluminação e display devido ao seu desempenho superior em termos de eficiência, estabilidade e tamanho do dispositivo. Os LEDs são normalmente pilhas de filmes semicondutores finos com dimensões laterais de milímetros, muito menores do que dispositivos tradicionais, como lâmpadas incandescentes e tubos catódicos. No entanto, aplicações optoeletrônicas emergentes, como realidade virtual e aumentada, exigem LEDs do tamanho de mícrons ou menos. A esperança é que os LED em escala micro ou submícron (µleds) continuem a ter muitas das qualidades superiores que os leds tradicionais já possuem, como emissão altamente estável, alta eficiência e brilho, consumo de energia ultrabaixo e emissão colorida, embora seja cerca de um milhão de vezes menor em área, permitindo exibições mais compactas. Esses chips de LED também podem abrir caminho para circuitos fotônicos mais poderosos se puderem ser cultivados em um único chip em Si e integrados com eletrônicos semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS).
No entanto, até agora, tais μleds permaneceram indefinidos, especialmente na faixa de comprimento de onda de emissão verde a vermelho. A abordagem tradicional conduzida µ-led é um processo de cima para baixo no qual os filmes de poço quântico (QW) InGaN são gravados em dispositivos de microescala por meio de um processo de gravação. Embora os μleds de tio2 baseados em QW de filme fino InGaN tenham atraído muita atenção devido a muitas das excelentes propriedades do InGaN, como transporte eficiente de portadora e ajuste de comprimento de onda em toda a faixa visível, até agora eles foram afetados por problemas como parede lateral danos por corrosão que pioram à medida que o tamanho do dispositivo diminui. Além disso, devido à existência de campos de polarização, apresentam instabilidade de comprimento de onda/cor. Para este problema, foram propostas soluções de InGaN não polares e semipolares e de cavidades de cristal fotônico, mas atualmente não são satisfatórias.
Em um novo artigo publicado na Light Science and Applications, pesquisadores liderados por Zetian Mi, professor da Universidade de Michigan, Annabel, desenvolveram um LED verde iii – nitreto em escala submícron que supera esses obstáculos de uma vez por todas. Esses µleds foram sintetizados por epitaxia seletiva de feixe molecular assistida por plasma regional. Em total contraste com a abordagem tradicional de cima para baixo, o µled aqui consiste em um conjunto de nanofios, cada um com apenas 100 a 200 nm de diâmetro, separados por dezenas de nanômetros. Esta abordagem ascendente evita essencialmente danos por corrosão nas paredes laterais.
A parte emissora de luz do dispositivo, também conhecida como região ativa, é composta por estruturas de múltiplos poços quânticos (MQW) core-shell caracterizadas pela morfologia dos nanofios. Em particular, o MQW consiste no poço InGaN e na barreira AlGaN. Devido às diferenças na migração de átomos adsorvidos dos elementos do Grupo III índio, gálio e alumínio nas paredes laterais, descobrimos que faltava índio nas paredes laterais dos nanofios, onde o invólucro GaN / AlGaN envolvia o núcleo MQW como um burrito. Os pesquisadores descobriram que o conteúdo de Al desta camada de GaN/AlGaN diminuiu gradualmente do lado da injeção de elétrons dos nanofios para o lado da injeção do buraco. Devido à diferença nos campos de polarização internos de GaN e AlN, tal gradiente de volume do conteúdo de Al na camada AlGaN induz elétrons livres, que são fáceis de fluir para o núcleo MQW e aliviam a instabilidade da cor, reduzindo o campo de polarização.
Na verdade, os pesquisadores descobriram que para dispositivos com menos de um mícron de diâmetro, o pico de comprimento de onda da eletroluminescência, ou emissão de luz induzida por corrente, permanece constante em uma ordem de grandeza da mudança na injeção de corrente. Além disso, a equipe do professor Mi já desenvolveu um método para cultivar revestimentos de GaN de alta qualidade em silício para cultivar leds de nanofios em silício. Assim, um µled fica em um substrato de Si pronto para integração com outros componentes eletrônicos CMOS.
Este µled tem facilmente muitas aplicações potenciais. A plataforma do dispositivo se tornará mais robusta à medida que o comprimento de onda de emissão do display RGB integrado no chip se expandir para vermelho.
Horário da postagem: 10 de janeiro de 2023