Os LEDs tradicionais revolucionaram o campo da iluminação e dos displays devido ao seu desempenho superior em termos de eficiência, estabilidade e tamanho. Os LEDs são tipicamente conjuntos de finas películas semicondutoras com dimensões laterais de milímetros, muito menores do que dispositivos tradicionais como lâmpadas incandescentes e tubos de raios catódicos. No entanto, aplicações optoeletrônicas emergentes, como realidade virtual e aumentada, exigem LEDs com tamanho de micrômetros ou menos. A expectativa é que os LEDs em escala micro ou submicrométrica (µLEDs) continuem a apresentar muitas das qualidades superiores dos LEDs tradicionais, como emissão altamente estável, alta eficiência e brilho, consumo de energia ultrabaixo e emissão em cores plenas, sendo cerca de um milhão de vezes menores em área, permitindo displays mais compactos. Esses chips de LED também podem abrir caminho para circuitos fotônicos mais poderosos, caso possam ser produzidos em chip único em silício e integrados com eletrônica CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar).
No entanto, até o momento, esses microLEDs têm se mostrado difíceis de obter, especialmente na faixa de comprimento de onda de emissão do verde ao vermelho. A abordagem tradicional para microLEDs é um processo de cima para baixo, no qual filmes de poços quânticos (PQ) de InGaN são gravados em dispositivos de microescala por meio de um processo de corrosão. Embora os microLEDs de TiO₂ baseados em PQ de InGaN de filme fino tenham atraído muita atenção devido às muitas das excelentes propriedades do InGaN, como o transporte eficiente de portadores e a sintonização do comprimento de onda em toda a faixa visível, até agora eles têm sido afetados por problemas como danos por corrosão nas paredes laterais, 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 com InGaN não polar e semipolar e cavidades de cristal fotônico foram propostas, mas ainda não são satisfatórias.
Em um novo artigo publicado na revista Light Science and Applications, pesquisadores liderados por Zetian Mi, professor da Universidade de Michigan, campus Annabel, desenvolveram um LED verde em escala submicrométrica – nitreto – que supera esses obstáculos de uma vez por todas. Esses microLEDs foram sintetizados por epitaxia seletiva regional assistida por feixe molecular. Em nítido contraste com a abordagem tradicional de cima para baixo, o microLED 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 evita, essencialmente, danos por corrosão lateral da parede.
A parte emissora de luz do dispositivo, também conhecida como região ativa, é composta por estruturas de poços quânticos múltiplos (MQW) do tipo núcleo-casca, caracterizadas por morfologia de nanofios. Em particular, o MQW consiste em um poço de InGaN e uma barreira de AlGaN. Devido às diferenças na migração de átomos adsorvidos dos elementos do Grupo III, índio, gálio e alumínio, nas paredes laterais, observou-se a ausência de índio nas paredes laterais dos nanofios, onde a casca de GaN/AlGaN envolve o núcleo do MQW como um burrito. Os pesquisadores descobriram que o teor de Al nessa casca de GaN/AlGaN diminui gradualmente do lado de injeção de elétrons dos nanofios para o lado de injeção de lacunas. Devido à diferença nos campos de polarização internos do GaN e do AlN, esse gradiente volumétrico de teor de Al na camada de AlGaN induz elétrons livres, que fluem facilmente 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 grandeza 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 sobre silício, permitindo o crescimento de LEDs de nanofios sobre silício. Dessa forma, um µLED fica depositado sobre um substrato de silício, pronto para integração com outros componentes eletrônicos CMOS.
Este microLED possui inúmeras 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 o vermelho.
Data da publicação: 10 de janeiro de 2023