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 finas películas semiconductoras con dimensiones laterales de milímetros, mucho más pequeñas que los dispositivos tradicionales como las bombillas incandescentes y los tubos de cátodo. Sin embargo, las nuevas aplicaciones optoelectrónicas, como la realidad virtual y aumentada, requieren LED del tamaño de micras o menos. Se espera que los LED de escala micro o submicrométrica (µLED) mantengan muchas de las cualidades superiores de los LED tradicionales, como una emisión altamente estable, alta eficiencia y brillo, un consumo de energía ultrabajo y emisión a todo color, pero con un área 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 fabricar en un solo chip sobre silicio e integrar con electrónica CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico).
Sin embargo, hasta ahora, estos µLEDs han permanecido difíciles de obtener, especialmente en el rango de longitud de onda de emisión verde a rojo. El enfoque tradicional de los µLEDs es un proceso descendente en el que las películas de pozos cuánticos (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 del InGaN, como el transporte eficiente de portadores y la sintonización de longitud de onda en todo el rango visible, hasta ahora han estado plagados de problemas como el daño por corrosión en las paredes laterales que empeora a medida que se reduce el tamaño del dispositivo. Además, debido a la existencia de campos de polarización, tienen inestabilidad de longitud de onda/color. Para este problema, se han propuesto soluciones de InGaN no polar y semipolar y de cavidades de cristal fotónico, pero no son satisfactorias en la actualidad.
En un nuevo artículo publicado en Light Science and Applications, investigadores liderados por Zetian Mi, profesor de la Universidad de Michigan, Annabel, han desarrollado un LED verde de nitruro de iii a escala submicrométrica que supera estos obstáculos de una vez por todas. Estos µLEDs se sintetizaron mediante epitaxia de haces moleculares asistida por plasma regional selectivo. A diferencia del enfoque tradicional descendente, el µLED aquí 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 esencialmente el daño 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 una morfología de nanocables. En particular, el MQW consta de un pozo de InGaN y una 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 dichas paredes de los nanocables, donde la capa de GaN/AlGaN envolvía el núcleo del MQW como un burrito. Los investigadores descubrieron que el contenido de Al en esta capa de GaN/AlGaN disminuía gradualmente desde el lado de inyección de electrones de los nanocables hasta el lado de inyección de huecos. Debido a la diferencia en los campos de polarización internos del GaN y el AlN, este gradiente volumétrico de contenido de Al en la capa de AlGaN induce electrones libres, que fluyen fácilmente hacia el núcleo del MQW y mitigan la inestabilidad cromática al reducir el campo de polarización.
De hecho, los investigadores han descubierto que, para dispositivos de menos de un micrón de diámetro, la longitud de onda máxima de la electroluminiscencia, o emisión de luz inducida por corriente, permanece constante en un orden de magnitud respecto al cambio en la inyección de corriente. Además, el equipo del profesor Mi ha desarrollado previamente un método para cultivar recubrimientos de GaN de alta calidad sobre silicio, con el fin de fabricar LED de nanocables sobre silicio. De este modo, un µLED se asienta sobre un sustrato de silicio, listo para su integración con otros componentes electrónicos CMOS.
Este microLED tiene numerosas 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 amplíe hasta el rojo.
Fecha de publicación: 10 de enero de 2023