Đèn LED truyền thống đã cách mạng hóa lĩnh vực chiếu sáng và hiển thị nhờ hiệu suất vượt trội về hiệu quả, độ ổn định và kích thước thiết bị. Đèn LED thường là các chồng màng bán dẫn mỏng với kích thước chiều ngang tính bằng milimét, nhỏ hơn nhiều so với các thiết bị truyền thống như bóng đèn sợi đốt và ống catốt. Tuy nhiên, các ứng dụng quang điện tử mới nổi, chẳng hạn như thực tế ảo và thực tế tăng cường, yêu cầu đèn LED có kích thước micromet hoặc nhỏ hơn. Hy vọng là đèn LED kích thước micromet hoặc dưới micromet (µLED) sẽ tiếp tục sở hữu nhiều đặc tính vượt trội mà đèn LED truyền thống đã có, chẳng hạn như phát xạ ổn định cao, hiệu suất và độ sáng cao, tiêu thụ điện năng cực thấp và phát xạ đầy đủ màu sắc, trong khi diện tích nhỏ hơn khoảng một triệu lần, cho phép tạo ra màn hình nhỏ gọn hơn. Các chip LED như vậy cũng có thể mở đường cho các mạch quang tử mạnh mẽ hơn nếu chúng có thể được nuôi cấy đơn chip trên silicon và tích hợp với mạch điện tử bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS).
Tuy nhiên, cho đến nay, các vi đèn LED như vậy vẫn còn khó chế tạo, đặc biệt là trong dải bước sóng phát xạ từ xanh lục đến đỏ. Phương pháp chế tạo vi đèn LED truyền thống là một quy trình từ trên xuống, trong đó các màng giếng lượng tử InGaN (QW) được khắc thành các thiết bị kích thước vi mô thông qua một quy trình khắc. Mặc dù các vi đèn LED dựa trên giếng lượng tử InGaN màng mỏng đã thu hút rất nhiều sự chú ý do nhiều đặc tính tuyệt vời của InGaN, chẳng hạn như vận chuyển điện tích hiệu quả và khả năng điều chỉnh bước sóng trong toàn bộ dải ánh sáng nhìn thấy, nhưng cho đến nay chúng vẫn gặp phải các vấn đề như hư hỏng do ăn mòn thành bên, tình trạng này càng trầm trọng hơn khi kích thước thiết bị thu nhỏ. Ngoài ra, do sự tồn tại của các trường phân cực, chúng có sự không ổn định về bước sóng/màu sắc. Đối với vấn đề này, các giải pháp sử dụng InGaN không phân cực và bán phân cực cũng như các giải pháp khoang tinh thể quang tử đã được đề xuất, nhưng hiện tại chúng vẫn chưa đạt yêu cầu.
Trong một bài báo mới được công bố trên tạp chí Light Science and Applications, các nhà nghiên cứu do Zetian Mi, giáo sư tại Đại học Michigan, Annabel, dẫn đầu, đã phát triển một loại đèn LED xanh lá cây kích thước dưới micromet (µL) – nitride, khắc phục triệt để những trở ngại này. Những µL này được tổng hợp bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử hỗ trợ plasma vùng chọn lọc. Trái ngược hoàn toàn với phương pháp truyền thống từ trên xuống, µL ở đây bao gồm một mảng các dây nano, mỗi dây chỉ có đường kính từ 100 đến 200 nm, cách nhau vài chục nanomet. Phương pháp từ dưới lên này về cơ bản tránh được hư hại do ăn mòn thành bên.
Phần phát sáng của thiết bị, còn được gọi là vùng hoạt động, bao gồm các cấu trúc giếng lượng tử đa lớp (MQW) lõi-vỏ đặc trưng bởi hình thái dây nano. Cụ thể, MQW bao gồm giếng InGaN và lớp chắn AlGaN. Do sự khác biệt trong quá trình di chuyển nguyên tử hấp thụ của các nguyên tố nhóm III như indi, gali và nhôm trên các thành bên, chúng tôi nhận thấy rằng indi bị thiếu trên các thành bên của dây nano, nơi lớp vỏ GaN/AlGaN bao bọc lõi MQW giống như một chiếc bánh burrito. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hàm lượng Al trong lớp vỏ GaN/AlGaN này giảm dần từ phía tiêm electron của dây nano đến phía tiêm lỗ trống. Do sự khác biệt trong trường phân cực bên trong của GaN và AlN, sự thay đổi thể tích hàm lượng Al trong lớp AlGaN tạo ra các electron tự do, dễ dàng chảy vào lõi MQW và làm giảm sự không ổn định màu sắc bằng cách giảm trường phân cực.
Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng đối với các thiết bị có đường kính nhỏ hơn một micron, bước sóng cực đại của hiện tượng phát quang điện, hay phát xạ ánh sáng do dòng điện gây ra, vẫn không đổi trong phạm vi thay đổi của dòng điện tiêm vào. Ngoài ra, nhóm của Giáo sư Mi trước đây đã phát triển một phương pháp để nuôi cấy lớp phủ GaN chất lượng cao trên silicon để tạo ra các đèn LED nanowire trên silicon. Do đó, một µled nằm trên chất nền Si sẵn sàng để tích hợp với các thiết bị điện tử CMOS khác.
Loại µLED này có rất nhiều ứng dụng tiềm năng. Nền tảng thiết bị sẽ trở nên mạnh mẽ hơn khi bước sóng phát xạ của màn hình RGB tích hợp trên chip mở rộng đến màu đỏ.
Thời gian đăng bài: 10/01/2023