Golflengtestabiele groene InGaN micro-LED’s monolithisch gegroeid op siliciumsubstraat

(a) Schematische voorstelling van de InGaN/AGaN nanodraadarray met meerdere kwantumputjes. (b) De piekgolflengte van de elektroluminescentie van het apparaat blijft constant gedurende één orde van grootte van verandering in stroominjectie. (c) De huidige spanningskenmerken van een apparaat met een goede rectificatieverhouding en een sterke groene emissie die zichtbaar is voor de ogen. Credit: Licht: wetenschap en toepassingen (2022). DOI: 10.1038/s41377-022-00985-4

Met hun superieure efficiëntie, stabiliteit en apparaatvolume-eigenschappen hebben conventionele lichtgevende diodes (LED’s) al een revolutie teweeggebracht in de verlichtings- en weergavewereld. LED’s zijn meestal stapels dunne halfgeleiderfilms met laterale afmetingen in de orde van millimeters, die veel kleiner zijn dan traditionele apparaten zoals gloeilampen en kathodebuizen.

Opkomende opto-elektronische toepassingen zoals virtual en augmented reality vragen echter om LED’s met afmetingen op de schaal van micrometers of kleiner. Het is wenselijk dat de micro- of submicronschaal-LED’s (µLED’s) de vele superieure eigenschappen blijven bezitten die conventionele LED’s al hebben, zoals zeer stabiele emissie, hoge efficiëntie en helderheid, ultralaag stroomverbruik en full-color emissie, terwijl ze ongeveer een miljoen keer kleiner in oppervlakte, waardoor een veel compactere weergave mogelijk is.

Dergelijke µLED’s zouden ook de weg vrijmaken voor veel krachtigere fotonische circuits als ze monolithisch kunnen worden gekweekt op Si voor integratie met complementaire metaaloxide-halfgeleider (CMOS) elektronica.

Tot op heden blijven dergelijke µLED’s echter ongrijpbaar, vooral in het emissiegolflengtebereik van groen tot rood. De conventionele benadering van µLED’s is een top-downproces waarbij dunne InGaN-kwantumbron (QW)-films via etsprocessen worden gevormd tot apparaten met afmetingen op microschaal.

Hoewel dunnefilm InGaN QW-gebaseerde µLED’s veel aandacht hebben getrokken vanwege de vele gewenste eigenschappen van InGaN, zoals efficiënt transport van ladingsdragers en afstembaarheid van de golflengte over het gehele zichtbare bereik, hebben ze tot nu toe last gehad van problemen zoals etsschade aan de zijwand die erger wordt. naarmate het apparaat kleiner wordt.

Verder lijden ze aan golflengte-/kleurinstabiliteit als gevolg van de polarisatievelden, waarvoor oplossingen zoals niet-polaire en semipolaire InGaN en fotonische kristalholten zijn voorgesteld, maar tot nu toe onbevredigend waren.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht: wetenschap en toepassingen, hebben onderzoekers onder leiding van professor Zetian Mi van de Universiteit van Michigan in Ann Arbor, VS, III-nitride submicron-schaal groene µLED’s ontwikkeld die deze barrières in één keer overwinnen. Deze µLED’s worden gesynthetiseerd met selectieve plasma-ondersteunde moleculaire bundelepitaxie.

In schril contrast met de conventionele top-down benadering, bestaan ​​de µLED’s hier uit arrays van nanodraden, die elk slechts 100~200 nm in diameter zijn en tientallen nanometers uit elkaar liggen. Een dergelijke bottom-up benadering vermijdt intrinsiek schade door etsen aan de zijwand.

Het lichtemitterende deel van het apparaat, ook bekend als het actieve gebied, bestaat uit een core-shell multiple-quantum-well (MQW) -structuur die uniek is voor de nanodraadmorfologie. De MQW bestaat met name uit InGaN-putten en AlGaN-barrières.

Vanwege verschillen in adatommigratie op de zijwand tussen de groep III-elementen van indium, gallium en aluminium, blijkt indium afwezig te zijn op de zijwanden van de nanodraad, waar een GaN/AlGaN-schaal de MQW-kern als een burrito omhult. De onderzoekers hebben ontdekt dat het Al-gehalte van deze GaN/AlGaN-schil afneemt van de elektroneninjectiezijde naar de gateninjectiezijde van de nanodraad.

Vanwege het verschil in intern polarisatieveld tussen GaN en AlN, induceert een dergelijke bulkgradiënt in Al-gehalte in de AlGaN-lagen vrije elektronen, die gemakkelijk in de MQW-kern kunnen stromen om de kleurinstabiliteit te verlichten door de polarisatievelden te verminderen.

De onderzoekers hebben inderdaad ontdekt dat de piekgolflengte van elektroluminescentie, of door elektrische stroom geïnduceerde lichtemissie, constant blijft gedurende één orde van grootte van verandering in stroominjectie, voor een apparaat met een diameter van minder dan één micrometer.

Bovendien heeft de groep van prof. Mi al eerder een methode ontwikkeld om hoogwaardige GaN-epilaag op silicium te laten groeien, waarop de nanodraad- µLED’s worden gekweekt. Als zodanig zitten de LED’s native op een Si-substraat, klaar voor integratie met andere CMOS-elektronica.

Dergelijke µLED’s hebben gemakkelijk veel potentiële toepassingsscenario’s. Het apparaatplatform zou robuuster worden met de uitbreiding van de emissiegolflengte naar rood voor geïntegreerde RGB-weergave op de chip.