Traditionelle LEDs haben die Beleuchtungs- und Displaytechnologie dank ihrer überlegenen Leistung in Bezug auf Effizienz, Stabilität und Gerätegröße revolutioniert. LEDs bestehen typischerweise aus gestapelten dünnen Halbleiterschichten mit lateralen Abmessungen im Millimeterbereich und sind damit deutlich kleiner als herkömmliche Bauelemente wie Glühlampen und Kathodenröhren. Neue optoelektronische Anwendungen wie Virtual und Augmented Reality benötigen jedoch LEDs im Mikrometerbereich oder darunter. Man erhofft sich, dass Mikro- oder Submikrometer-LEDs (µLEDs) viele der Vorteile traditioneller LEDs beibehalten, wie z. B. eine hohe Lichtstabilität, hohe Effizienz und Helligkeit, extrem niedrigen Stromverbrauch und Vollfarbwiedergabe, und gleichzeitig eine millionenfach kleinere Fläche aufweisen, was kompaktere Displays ermöglicht. Solche LED-Chips könnten zudem den Weg für leistungsfähigere photonische Schaltungen ebnen, sofern sie auf Silizium-Chips (Si) als Einzelchips hergestellt und mit CMOS-Elektronik (Complementary Metal Oxide Semiconductor) integriert werden können.
Bislang konnten solche Mikro-LEDs jedoch nicht realisiert werden, insbesondere im grün-roten Emissionswellenlängenbereich. Der traditionelle Ansatz für Mikro-LEDs ist ein Top-Down-Verfahren, bei dem InGaN-Quantenfilme (QW) durch Ätzen in mikroskalige Bauelemente umgewandelt werden. Obwohl TiO₂-Mikro-LEDs auf Basis dünner InGaN-Quantenfilme aufgrund der vielen hervorragenden Eigenschaften von InGaN, wie effizientem Ladungstransport und Wellenlängenabstimmbarkeit im gesamten sichtbaren Bereich, großes Interesse geweckt haben, sind sie bisher mit Problemen wie Seitenwandkorrosion behaftet, die sich mit abnehmender Bauelementgröße verschlimmert. Darüber hinaus weisen sie aufgrund von Polarisationsfeldern Wellenlängen- und Farbinstabilitäten auf. Zur Lösung dieses Problems wurden nicht-polare und semi-polare InGaN-Materialien sowie photonische Kristallresonatoren vorgeschlagen, die jedoch derzeit noch nicht zufriedenstellend sind.
In einer neuen Veröffentlichung in Light Science and Applications haben Forscher um Professor Zetian Mi von der University of Michigan, Annabel, eine grüne LED im Submikrometerbereich (µLED) aus Nitrid entwickelt, die diese Herausforderungen endgültig meistert. Die µLEDs wurden mittels selektiver, plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (SPECME) hergestellt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Top-Down-Verfahren besteht die hier vorgestellte µLED aus einer Anordnung von Nanodrähten mit einem Durchmesser von jeweils nur 100 bis 200 nm, die durch wenige zehn Nanometer voneinander getrennt sind. Dieses Bottom-Up-Verfahren vermeidet Korrosionsschäden an den Seitenwänden.
Der lichtemittierende Teil des Bauelements, auch aktive Zone genannt, besteht aus Kern-Schale-Mehrfachquantentopfstrukturen (MQW) mit Nanodrahtmorphologie. Der MQW besteht aus einem InGaN-Quantentopf und einer AlGaN-Barriere. Aufgrund der unterschiedlichen Migration adsorbierter Atome der Elemente der Gruppe III, 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 burritoartig umschloss. Die Forscher fanden heraus, dass der Al-Gehalt dieser GaN/AlGaN-Schale von der Elektroneninjektionsseite der Nanodrähte zur Lochinjektionsseite hin abnahm. Aufgrund der unterschiedlichen internen Polarisationsfelder von GaN und AlN induziert dieser Volumengradient des Al-Gehalts in der AlGaN-Schicht freie Elektronen, die leicht in den MQW-Kern fließen und die Farbinstabilität durch Reduzierung des Polarisationsfeldes verringern.
Tatsächlich haben die Forscher festgestellt, dass bei Bauelementen mit einem Durchmesser von weniger als einem Mikrometer die Wellenlänge des Elektrolumineszenzmaximums – also der strominduzierten Lichtemission – in der Größenordnung der Stromänderung konstant bleibt. Darüber hinaus hat das Team von Professor Mi bereits ein Verfahren zur Herstellung hochwertiger GaN-Beschichtungen auf Silizium entwickelt, um Nanodraht-LEDs auf Silizium zu fertigen. So befindet sich eine Mikro-LED auf einem Siliziumsubstrat und kann direkt in andere CMOS-Elektronik integriert werden.
Diese Mikro-LED bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Die Geräteplattform wird robuster, da sich die Emissionswellenlänge des integrierten RGB-Displays auf dem Chip auf Rot ausdehnt.
Veröffentlichungsdatum: 10. Januar 2023