Đèn LED truyền thống đã cách mạng hóa lĩnh vực chiếu sáng và hiển thị nhờ hiệu suất vượt trội về mặt hiệu suất, độ ổn định và kích thước thiết bị. Đèn LED thường là các lớp màng bán dẫn mỏng với kích thước 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 bằng micron hoặc nhỏ hơn. Hy vọng là đèn LED ở quy mô micro hoặc dưới micron (µled) tiếp tục có nhiều đặc tính vượt trội mà đèn LED truyền thống đã có, chẳng hạn như khả năng phát xạ cực kỳ ổn định, hiệu suất và độ sáng cao, mức tiêu thụ điện năng cực thấp và khả năng phát xạ đầy đủ màu sắc, đồng thời có 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 vi mô thông qua một quy trình khắc. Trong khi các µled tio2 dựa trên QW InGaN màng mỏng đã thu hút được nhiều sự chú ý do nhiều đặc tính tuyệt vời của InGaN, chẳng hạn như vận chuyển hạt mang hiệu quả và khả năng điều chỉnh bước sóng trong toàn bộ phạm vi khả kiến, cho đến nay chúng vẫn gặp phải 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 sự không ổn định về bước sóng/màu sắc. Đối với vấn đề này, các giải pháp InGaN không phân cực và bán phân cực và khoang tinh thể quang tử 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 loại đèn LED xanh lục iii – nitride có kích thước siêu nhỏ, có thể khắc phục hoàn toàn những trở ngại này. Các µled này được tổng hợp bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử plasma chọn lọc cục bộ. Trái ngược hoàn toàn với phương pháp tiếp cận từ trên xuống truyền thống, µled ở đây bao gồm một mảng các sợi nano, mỗi sợi chỉ có đường kính từ 100 đến 200 nm, cách nhau vài chục nanomet. Phương pháp tiếp cận từ dưới lên này về cơ bản giúp 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 lõi-vỏ (MQW) được đặc trưng bởi hình thái dây nano. 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 indi, gali và nhôm trên các thành bên, chúng tôi phát hiện ra 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 của lớp vỏ GaN/AlGaN này giảm dần từ phía tiêm electron của dây nano sang phía tiêm lỗ. Do sự khác biệt trong trường phân cực bên trong của GaN và AlN, nên gradient thể tích của hàm lượng Al trong lớp AlGaN tạo ra các electron tự do, dễ dàng chảy vào lõi MQW và làm giảm sự mất ổn định màu 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 theo cấp số nhân của sự thay đổi dòng điện. Ngoài ra, nhóm của Giáo sư Mi trước đây đã phát triển một phương pháp nuôi cấy lớp phủ GaN chất lượng cao trên silicon để nuôi cấy đèn LED nanowire trên silicon. Nhờ đó, một µled được đặt trên đế 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