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 lớp màng bán dẫn mỏng có kích thước ngang tính bằng milimét, nhỏ hơn nhiều so với các thiết bị truyền thống như bóng đèn sợi đốt và ống cathode. 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 từ micron trở xuống. Hy vọng là đèn LED cỡ micro hoặc submicron (µled) tiếp tục có nhiều phẩm chất ưu việt mà đèn led truyền thống đã có, chẳng hạn như độ phát xạ ổn định cao, hiệu suất và độ sáng cao, mức tiêu thụ điện năng cực thấp và phát xạ đủ màu sắc, trong khi có diện tích nhỏ hơn khoảng một triệu lần, cho phép hiển thị nhỏ gọn hơn. Những con chip led như vậy cũng có thể mở đường cho các mạch quang tử mạnh hơn nếu chúng có thể được phát triển thành một chip đơn trên Si và tích hợp với các thiết bị điện tử bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS).
Tuy nhiên, cho đến nay, những µled như vậy vẫn còn khó nắm bắt, đặc biệt là trong dải bước sóng phát xạ xanh lục đến đỏ. Phương pháp tiếp cận µ-led truyền thống là quy trình từ trên xuống trong đó màng giếng lượng tử InGaN (QW) được khắc vào các thiết bị có kích thước vi mô thông qua quy trình khắc. Trong khi các µled tio2 dựa trên InGaN QW màng mỏng đã thu hút rất nhiều sự chú ý do có nhiều đặc tính tuyệt vời của InGaN, chẳng hạn như khả năng truyền sóng mang hiệu quả và khả năng điều chỉnh bước sóng trong phạm vi khả kiến, cho đến nay, chúng vẫn gặp khó khăn bởi các vấn đề như thành bên hư hỏng do ăn mòn trở nên trầm trọng hơn khi kích thước thiết bị co lại. Ngoài ra, do tồn tại trường phân cực nên chúng có bước sóng/màu sắc không ổn định. Đối với vấn đề này, các giải pháp khoang tinh thể InGaN không phân cực và bán phân cực và khoang tinh thể quang tử đã được đề xuất, nhưng hiện tại chúng chưa thỏa đáng.
Trong một bài báo mới đăng trên tạp chí Khoa học ánh sáng và ứng dụng, các nhà nghiên cứu do Zetian Mi, giáo sư tại Đại học Michigan, Annabel, dẫn đầu, đã phát triển đèn LED xanh lục iii – nitride quy mô dưới micromet có thể vượt qua những trở ngại này một lần và mãi mãi. Các µled này được tổng hợp bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử được hỗ trợ bằng plasma chọn lọc trong khu vực. Hoàn toàn trái ngược với cách tiếp cận từ trên xuống truyền thống, µled ở đây bao gồm một dãy dây nano, mỗi dây có đường kính chỉ từ 100 đến 200 nm, cách nhau hàng chục nanomet. Cách tiếp cận từ dưới lên này về cơ bản tránh được hư hỏng 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 lõi (MQW) vỏ-lõi được đặc trưng bởi hình thái dây nano. Đặc biệt, MQW bao gồm giếng InGaN và rào chắn AlGaN. Do sự khác biệt trong sự di chuyển nguyên tử bị hấp phụ của các nguyên tố Nhóm III 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 bọc lõi MQW giống như một chiếc bánh burrito. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hàm lượng Al của lớp vỏ GaN/AlGaN này giảm dần từ phía phun electron của dây nano đến phía phun lỗ trống. Do sự khác biệt về trường phân cực bên trong của GaN và AlN, độ dốc thể tích của hàm lượng Al như vậy trong lớp AlGaN tạo ra các electron tự do, dễ dàng chảy vào lõi MQW và làm giảm sự mất 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 điện phát quang hoặc sự phát xạ ánh sáng do dòng điện gây ra vẫn không đổi theo mức độ thay đổi của dòng điện đưa vào. Ngoài ra, nhóm của giáo sư Mi trước đây đã phát triển phương pháp nuôi lớp phủ GaN chất lượng cao trên silicon để phát triển đèn led dây nano trên silicon. Do đó, µled nằm trên đế Si sẵn sàng tích hợp với các thiết bị điện tử CMOS khác.
µled này dễ dàng có 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 sang màu đỏ.
Thời gian đăng: Jan-10-2023