Los LED tradicionales han revolucionado el campo de la iluminación y las pantallas gracias a su rendimiento superior en términos de eficiencia, estabilidad y tamaño. Los LED suelen ser pilas de delgadas películas semiconductoras con dimensiones laterales de milímetros, mucho más pequeñas que las de dispositivos tradicionales como las bombillas incandescentes y los tubos catódicos. Sin embargo, las aplicaciones optoelectrónicas emergentes, como la realidad virtual y aumentada, requieren LED de tamaño micrométrico o inferior. Se espera que los LED de escala micro o submicrónica (µLED) conserven muchas de las cualidades superiores de los LED tradicionales, como emisión altamente estable, alta eficiencia y brillo, consumo de energía ultrabajo y emisión a todo color, a la vez que su área es aproximadamente un millón de veces menor, lo que permite pantallas más compactas. Estos chips LED también podrían allanar el camino para circuitos fotónicos más potentes si se pueden desarrollar en un solo chip sobre silicio e integrarlos con electrónica de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS).
Sin embargo, hasta ahora, estos µleds han resultado esquivos, especialmente en el rango de longitud de onda de emisión de verde a rojo. El enfoque tradicional de led µ-led es un proceso descendente en el que las películas de pozo cuántico (QW) de InGaN se graban en dispositivos a microescala mediante un proceso de grabado. Si bien los µleds de tio2 basados en QW de InGaN de película delgada han atraído mucha atención debido a muchas de las excelentes propiedades de InGaN, como el eficiente transporte de portadores y la capacidad de ajuste de la longitud de onda en todo el rango visible, hasta ahora se han visto afectados por problemas como el daño por corrosión de la pared lateral que empeora a medida que se reduce el tamaño del dispositivo. Además, debido a la existencia de campos de polarización, presentan inestabilidad de longitud de onda/color. Para este problema, se han propuesto soluciones de cavidad de cristal fotónico e InGaN no polares y semipolares, pero no son satisfactorias por el momento.
En un nuevo artículo publicado en Light Science and Applications, investigadores dirigidos por Zetian Mi, profesor de la Universidad de Michigan, Annabel, han desarrollado un LED verde de nitruro iii a escala submicrónica que supera estos obstáculos de forma definitiva. Estos µleds se sintetizaron mediante epitaxia selectiva regional de haz molecular asistida por plasma. En marcado contraste con el enfoque tradicional descendente, el µled que se presenta en este caso consiste en una matriz de nanocables, cada uno de tan solo 100 a 200 nm de diámetro, separados por decenas de nanómetros. Este enfoque ascendente evita, en esencia, los daños por corrosión en las paredes laterales.
La parte emisora de luz del dispositivo, también conocida como región activa, está compuesta por estructuras de pozos cuánticos múltiples (MQW) de núcleo-capa, caracterizadas por la morfología de los nanocables. En particular, el MQW está compuesto por el pozo de InGaN y la barrera de AlGaN. Debido a las diferencias en la migración de átomos adsorbidos de los elementos del Grupo III, indio, galio y aluminio, en las paredes laterales, se observó la ausencia de indio en las paredes laterales de los nanocables, donde la capa de GaN/AlGaN envolvía el núcleo del MQW como un burrito. Los investigadores observaron que el contenido de Al en esta capa de GaN/AlGaN disminuía gradualmente desde el lado de inyección de electrones de los nanocables hacia el lado de inyección de huecos. Debido a la diferencia en los campos de polarización internos de GaN y AlN, este gradiente de volumen de Al en la capa de AlGaN induce electrones libres, que fluyen fácilmente hacia el núcleo del MQW y alivian la inestabilidad del color al reducir el campo de polarización.
De hecho, los investigadores han descubierto que, en dispositivos de menos de una micra de diámetro, la longitud de onda máxima de la electroluminiscencia, o emisión de luz inducida por corriente, permanece constante en un orden de magnitud equivalente al cambio en la inyección de corriente. Además, el equipo del profesor Mi desarrolló previamente un método para el crecimiento de recubrimientos de GaN de alta calidad sobre silicio para el desarrollo de nanocables LED sobre silicio. De este modo, un µLED se asienta sobre un sustrato de silicio, listo para su integración con otros componentes electrónicos CMOS.
Este µled tiene muchas aplicaciones potenciales. La plataforma del dispositivo se volverá más robusta a medida que la longitud de onda de emisión de la pantalla RGB integrada en el chip se expanda al rojo.
Hora de publicación: 10 de enero de 2023