Geleneksel LED'ler, verimlilik, kararlılık ve cihaz boyutu açısından üstün performansları sayesinde aydınlatma ve ekran alanında devrim yarattı. LED'ler tipik olarak, akkor ampuller ve katot tüpleri gibi geleneksel cihazlardan çok daha küçük, milimetre boyutlarında ince yarı iletken filmlerden oluşan yığınlardır. Bununla birlikte, sanal ve artırılmış gerçeklik gibi ortaya çıkan optoelektronik uygulamalar, mikron veya daha küçük boyutlarda LED'ler gerektiriyor. Umut, mikro veya alt mikron ölçekli LED'lerin (µLED'ler), geleneksel LED'lerin zaten sahip olduğu birçok üstün özelliği (yüksek kararlı emisyon, yüksek verimlilik ve parlaklık, ultra düşük güç tüketimi ve tam renkli emisyon gibi) korurken, alan olarak yaklaşık bir milyon kat daha küçük olmaları ve daha kompakt ekranlara olanak sağlamalarıdır. Bu tür LED çipler, Si üzerinde tek çip halinde yetiştirilip tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) elektroniklerle entegre edilebilirlerse, daha güçlü fotonik devrelerin yolunu da açabilirler.
Ancak, özellikle yeşilden kırmızıya emisyon dalga boyu aralığında, bu tür mikro LED'ler bugüne kadar elde edilememiştir. Geleneksel LED mikro LED yaklaşımı, InGaN kuantum kuyusu (QW) filmlerinin bir aşındırma işlemiyle mikro ölçekli cihazlara dönüştürüldüğü yukarıdan aşağıya bir süreçtir. İnce film InGaN QW tabanlı TiO2 mikro LED'ler, InGaN'nin verimli taşıyıcı iletimi ve görünür aralık boyunca dalga boyu ayarlanabilirliği gibi birçok mükemmel özelliği nedeniyle büyük ilgi görmüş olsa da, şimdiye kadar cihaz boyutu küçüldükçe kötüleşen yan duvar korozyon hasarı gibi sorunlarla karşı karşıya kalmışlardır. Ayrıca, polarizasyon alanlarının varlığı nedeniyle dalga boyu/renk kararsızlığına sahiptirler. Bu sorun için, polar olmayan ve yarı polar InGaN ve fotonik kristal boşluk çözümleri önerilmiştir, ancak bunlar şu anda tatmin edici değildir.
Light Science and Applications dergisinde yayınlanan yeni bir makalede, Michigan Üniversitesi Annabel kampüsünden Profesör Zetian Mi liderliğindeki araştırmacılar, bu engelleri tamamen ortadan kaldıran, mikron altı ölçekli yeşil LED iii – nitrür geliştirdiler. Bu mikro LED'ler, seçici bölgesel plazma destekli moleküler ışın epitaksisi ile sentezlendi. Geleneksel yukarıdan aşağıya yaklaşımdan tamamen farklı olarak, buradaki mikro LED, her biri yalnızca 100 ila 200 nm çapında ve onlarca nanometre arayla ayrılmış bir dizi nanotelden oluşmaktadır. Bu aşağıdan yukarıya yaklaşım, esasen yanal duvar korozyon hasarını önler.
Cihazın ışık yayan kısmı, diğer adıyla aktif bölge, nanotel morfolojisiyle karakterize edilen çekirdek-kabuk çoklu kuantum kuyusu (MQW) yapılarından oluşmaktadır. Özellikle, MQW, InGaN kuyusu ve AlGaN bariyerinden oluşmaktadır. Grup III elementleri indiyum, galyum ve alüminyumun yan duvarlardaki adsorbe edilmiş atom göçündeki farklılıklar nedeniyle, GaN/AlGaN kabuğunun MQW çekirdeğini bir burrito gibi sardığı nanotellerin yan duvarlarında indiyumun eksik olduğunu bulduk. Araştırmacılar, bu GaN/AlGaN kabuğunun Al içeriğinin, nanotellerin elektron enjeksiyon tarafından delik enjeksiyon tarafına doğru kademeli olarak azaldığını buldular. GaN ve AlN'nin iç polarizasyon alanlarındaki farklılık nedeniyle, AlGaN katmanındaki bu hacimsel Al içeriği gradyanı, MQW çekirdeğine kolayca akabilen ve polarizasyon alanını azaltarak renk kararsızlığını hafifleten serbest elektronları indükler.
Aslında araştırmacılar, çapı bir mikrondan küçük cihazlar için, elektrolüminesansın veya akım kaynaklı ışık emisyonunun tepe dalga boyunun, akım enjeksiyonundaki değişimin bir mertebesinde sabit kaldığını bulmuşlardır. Ek olarak, Profesör Mi'nin ekibi daha önce silikon üzerinde nanotel LED'ler yetiştirmek için silikon üzerine yüksek kaliteli GaN kaplamaları yetiştirme yöntemi geliştirmiştir. Böylece, bir mikro LED, diğer CMOS elektronikleriyle entegrasyona hazır bir Si alt tabakası üzerinde yer almaktadır.
Bu mikro LED'in birçok potansiyel uygulama alanı bulunmaktadır. Çip üzerindeki entegre RGB ekranın emisyon dalga boyu kırmızıya doğru genişledikçe, cihaz platformu daha da sağlam hale gelecektir.
Yayın tarihi: 10 Ocak 2023