O LED tradicional revolucionou o campo da iluminação e exibição devido ao seu desempenho superior em termos de eficiência, estabilidade e tamanho do dispositivo. Os LEDs são tipicamente pilhas de finas películas semicondutoras 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 no tamanho de mícrons ou menos. A esperança é que os LEDs em escala micro ou submicrométrica (µleds) continuem a ter muitas das qualidades superiores que os LEDs tradicionais já têm, como emissão altamente estável, alta eficiência e brilho, consumo de energia ultrabaixo e emissão de cores, sendo cerca de um milhão de vezes menores em área, permitindo telas mais compactas. Esses chips de LED também podem abrir caminho para circuitos fotônicos mais potentes 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 elusivos, especialmente na faixa de comprimento de onda de emissão verde a vermelha. A abordagem tradicional de µ-led é um processo de cima para baixo no qual filmes de poço quântico (QW) de InGaN são gravados em dispositivos de microescala por meio de um processo de gravação. Embora os µleds de tio2 de filme fino baseados em QW de InGaN tenham atraído muita atenção devido a muitas das excelentes propriedades do InGaN, como transporte eficiente de portadores e sintonia de comprimento de onda em toda a faixa visível, até agora eles têm sido afetados por problemas como danos por corrosão da parede lateral que pioram à medida que o tamanho do dispositivo diminui. Além disso, devido à existência de campos de polarização, eles apresentam instabilidade de comprimento de onda/cor. Para esse problema, soluções de cavidade de cristal fotônico e InGaN não polares e semipolares foram propostas, mas elas não são satisfatórias no momento.
Em um novo artigo publicado na Light Science and Applications, pesquisadores liderados por Zetian Mi, professor da Universidade de Michigan, em Annabel, desenvolveram um LED verde iii – nitreto em escala submicrométrica que supera esses obstáculos de uma vez por todas. Esses µleds foram sintetizados por epitaxia seletiva de feixe molecular assistida por plasma regional. Em forte contraste com a abordagem tradicional de cima para baixo, o µled aqui consiste em uma matriz de nanofios, cada um com apenas 100 a 200 nm de diâmetro, separados por dezenas de nanômetros. Essa abordagem de baixo para cima essencialmente evita 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) núcleo-casca, 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 o índio estava ausente nas paredes laterais dos nanofios, onde a camada GaN/AlGaN envolvia o núcleo do MQW como um burrito. Os pesquisadores descobriram que o conteúdo de Al dessa camada GaN/AlGaN diminuiu gradualmente do lado da injeção de elétrons dos nanofios para o lado da injeção de lacunas. Devido à diferença nos campos de polarização internos de GaN e AlN, esse gradiente de volume de conteúdo de Al na camada de AlGaN induz elétrons livres, que são fáceis de fluir para o núcleo do MQW e aliviam a instabilidade de cor, reduzindo o campo de polarização.
De fato, os pesquisadores descobriram que, para dispositivos com menos de um mícron de diâmetro, o comprimento de onda de pico da eletroluminescência, ou emissão de luz induzida por corrente, permanece constante em uma ordem de magnitude da variação na injeção de corrente. Além disso, a equipe do Professor Mi já havia desenvolvido um método para o crescimento de revestimentos de GaN de alta qualidade em silício para o crescimento de nanofios de LED em silício. Assim, um µled fica sobre um substrato de Si, pronto para integração com outros componentes eletrônicos CMOS.
Este µled tem muitas aplicações potenciais. A plataforma do dispositivo se tornará mais robusta à medida que o comprimento de onda de emissão do display RGB integrado ao chip se expande para o vermelho.
Data de publicação: 10/01/2023