Đèn LED truyền thống đã cách mạng hóa lĩnh vực chiếu sáng và hiển thị do hiệu suất vượt trội của chúng về mặt hiệu quả, độ ổn định và kích thước thiết bị. Đèn LED thường là các lớp màng bán dẫn mỏng có kích thước ngang là 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 micron hoặc nhỏ hơn. Hy vọng là đèn LED có kích thước micro hoặc dưới micron (µled) tiếp tục có nhiều đặc tính vượt trội mà đèn LED truyền thống đã có, chẳng hạn như phát xạ cực kỳ ổn định, hiệu suất và độ sáng cao, mức 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 hiển thị nhỏ gọn hơn. Các chip đèn 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 thiết bị điện tử bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS).
Tuy nhiên, cho đến nay, các µled như vậy vẫn còn khó nắm bắt, đặc biệt là trong phạm vi bước sóng phát xạ từ xanh lục đến đỏ. Phương pháp tiếp cận µled led truyền thống là một quy trình từ trên xuống trong đó các màng giếng lượng tử (QW) InGaN được khắc vào các thiết bị ở quy mô siêu nhỏ thông qua một quy trình khắc. Trong khi các µled tio2 dựa trên QW InGaN dạng màng mỏng đã thu hút được nhiều sự chú ý do nhiều đặc tính tuyệt vời của InGaN, chẳng hạn như khả năng vận chuyển chất mang hiệu quả và khả năng điều chỉnh bước sóng trong toàn bộ phạm vi khả kiến, cho đến nay chúng vẫn bị ảnh hưởng bởi các vấn đề như hư hỏng do ăn mòn thành bên trở nên tồi tệ hơn khi kích thước thiết bị thu hẹp. Ngoài ra, do sự tồn tại của các trường phân cực, chúng có độ không ổn định về bước sóng/màu sắc. Đối với vấn đề này, các giải pháp khoang tinh thể quang tử và InGaN không phân cực và bán phân cực đã được đề xuất, nhưng hiện tại chúng vẫn chưa thỏa đáng.
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 đèn LED xanh lục iii – nitride có kích thước dưới micron có thể khắc phục những trở ngại này một lần và mãi mãi. Các µled này được tổng hợp bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử hỗ trợ plasma khu vực chọn lọc. Trái ngược hoàn toàn với phương pháp tiếp cận từ trên xuống truyền thống, µled ở đây bao gồm một mảng các dây nano, mỗi dây chỉ có đường kính từ 100 đến 200 nm, cách nhau hàng chục nanomet. Phương pháp 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 lõi-vỏ nhiều giếng lượng tử (MQW) được đặc trưng bởi hình thái nanowire. Cụ thể, MQW bao gồm giếng InGaN và rào cản AlGaN. Do sự khác biệt trong quá trình di chuyển nguyên tử hấp phụ của các nguyên tố Nhóm III là indium, gali và nhôm trên các thành bên, chúng tôi phát hiện ra rằng indium bị thiếu trên các thành bên của nanowire, 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 của lớp vỏ GaN/AlGaN này giảm dần từ phía tiêm electron của nanowire sang phía tiêm lỗ. Do sự khác biệt trong trường phân cực bên trong của GaN và AlN, nên độ dốc thể tích của hàm lượng Al trong lớp AlGaN như vậy tạo ra các electron tự do, dễ 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 phát quang điện, hay phát xạ ánh sáng do dòng điện gây ra, vẫn không đổi theo cấp số nhân của sự thay đổi trong quá trình tiêm dòng điện. Ngoài ra, nhóm của Giáo sư Mi trước đây đã phát triển một phương pháp để phát triển lớp phủ GaN chất lượng cao trên silicon để phát triển đèn led nanowire trên silicon. Do đó, một µled nằm trên một chất nền Si sẵn sàng để 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: 10-01-2023