Herkömmliche LEDs haben die Bereiche Beleuchtung und Displays aufgrund ihrer überlegenen Leistung in puncto Effizienz, Stabilität und Gerätegröße revolutioniert. LEDs bestehen typischerweise aus Stapeln dünner Halbleiterfilme mit einer seitlichen Ausdehnung von Millimetern und sind damit viel kleiner als herkömmliche Geräte wie Glühlampen und Kathodenröhren. Neue optoelektronische Anwendungen wie virtuelle und erweiterte Realität erfordern jedoch LEDs mit einer Größe von Mikrometern oder weniger. Die Hoffnung besteht darin, dass Mikro- oder Submikrometer-LEDs (µLEDs) weiterhin viele der überlegenen Eigenschaften herkömmlicher LEDs aufweisen, wie z. B. hochstabile Emission, hohe Effizienz und Helligkeit, ultraniedrigen Stromverbrauch und vollfarbige Emission, während sie gleichzeitig etwa eine Million Mal kleiner sind, was kompaktere Displays ermöglicht. Solche LED-Chips könnten auch den Weg für leistungsfähigere photonische Schaltkreise ebnen, wenn sie als Einzelchip auf Si gezüchtet und mit komplementärer Metalloxid-Halbleiter-Elektronik (CMOS) integriert werden können.
Bislang konnten derartige µLEDs jedoch nicht entwickelt werden, insbesondere im Wellenlängenbereich von Grün bis Rot. Der herkömmliche Ansatz für µLEDs ist ein Top-down-Prozess, bei dem InGaN-Quantentopffilme (QW) durch einen Ätzprozess in Mikrogeräte geätzt werden. Obwohl Dünnschicht-InGaN-QW-basierte TIO2-µLEDs aufgrund der vielen hervorragenden Eigenschaften von InGaN, wie effizienter Ladungsträgertransport und Wellenlängenabstimmung über den gesamten sichtbaren Bereich, viel Aufmerksamkeit erregt haben, waren sie bisher mit Problemen wie Seitenwandkorrosionsschäden behaftet, die sich mit abnehmender Gerätegröße verschlimmern. Außerdem weisen sie aufgrund von Polarisationsfeldern eine Wellenlängen-/Farbinstabilität auf. Zur Lösung dieses Problems wurden unpolare und semipolare InGaN- und photonische Kristallkavitätslösungen vorgeschlagen, die derzeit jedoch nicht zufriedenstellend sind.
In einer neuen Veröffentlichung in Light Science and Applications haben Forscher um Zetian Mi, Professor an der University of Michigan, Annabel, eine submikrometergroße grüne LED iii – Nitrid entwickelt, die diese Hindernisse endgültig überwindet. Diese µLEDs wurden mittels selektiver regionaler plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie synthetisiert. Im Gegensatz zum traditionellen Top-down-Ansatz besteht die µLED hier aus einer Anordnung von Nanodrähten mit jeweils nur 100 bis 200 nm Durchmesser und einem Abstand von mehreren zehn Nanometern. Dieser Bottom-up-Ansatz vermeidet im Wesentlichen Korrosionsschäden an den Seitenwänden.
Der lichtemittierende Teil des Geräts, auch als aktiver Bereich bezeichnet, besteht aus Kern-Schale-Mehrfachquantentopfstrukturen (MQW), die durch die Morphologie der Nanodrähte gekennzeichnet sind. Insbesondere besteht der MQW aus dem InGaN-Topf und der AlGaN-Barriere. Aufgrund von Unterschieden bei der Migration adsorbierter Atome der Gruppe-III-Elemente Indium, Gallium und Aluminium an den Seitenwänden stellten wir fest, dass Indium an den Seitenwänden der Nanodrähte fehlte, wo die GaN/AlGaN-Schale den MQW-Kern wie einen Burrito umhüllte. Die Forscher stellten fest, dass der Al-Gehalt dieser GaN/AlGaN-Schale von der Elektroneninjektionsseite der Nanodrähte zur Lochinjektionsseite allmählich abnahm. Aufgrund des Unterschieds der internen Polarisationsfelder von GaN und AlN induziert ein solcher Volumengradient des Al-Gehalts in der AlGaN-Schicht freie Elektronen, die leicht in den MQW-Kern fließen können und die Farbinstabilität durch Verringerung des Polarisationsfelds lindern.
Tatsächlich haben die Forscher herausgefunden, dass bei Bauteilen mit einem Durchmesser von weniger als einem Mikrometer die Spitzenwellenlänge der Elektrolumineszenz (strominduzierte Lichtemission) um eine Größenordnung der Änderung der Stromzufuhr konstant bleibt. Darüber hinaus hat Professor Mis Team zuvor ein Verfahren zur Herstellung hochwertiger GaN-Beschichtungen auf Silizium entwickelt, um Nanodraht-LEDs auf Silizium zu züchten. Somit sitzt eine µLED auf einem Si-Substrat und ist bereit für die Integration mit anderer CMOS-Elektronik.
Diese µLED bietet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Die Geräteplattform wird robuster, da sich die Emissionswellenlänge des integrierten RGB-Displays auf dem Chip auf Rot erweitert.
Veröffentlichungszeit: 10. Januar 2023