従来の LED は、効率、安定性、デバイス サイズの点で優れたパフォーマンスを発揮するため、照明とディスプレイの分野に革命をもたらしました。 LED は通常、横方向の寸法がミリメートルの薄い半導体フィルムの積層体であり、白熱電球や陰極管などの従来のデバイスよりもはるかに小さいです。ただし、仮想現実や拡張現実などの新たな光電子アプリケーションでは、ミクロン以下のサイズの LED が必要です。マイクロまたはサブミクロンスケールの LED (µLED) が、非常に安定した発光、高効率と輝度、超低消費電力、フルカラー発光など、従来の LED がすでに備えている多くの優れた品質を引き続き持ち続けることが期待されています。面積は約 100 万分の 1 であり、よりコンパクトなディスプレイが可能になります。このような LED チップを Si 上にシングルチップで成長させ、相補型金属酸化膜半導体 (CMOS) エレクトロニクスと統合できれば、より強力なフォトニック回路への道を開く可能性もあります。
しかし、これまでのところ、そのようなμLEDは、特に緑から赤の発光波長範囲ではとらえどころのないままです。従来の LED μ LED アプローチは、エッチング プロセスを通じて InGaN 量子井戸 (QW) 膜をマイクロスケール デバイスにエッチングするトップダウン プロセスです。薄膜 InGaN QW ベースの tio2 µLED は、効率的なキャリア輸送や可視領域全体にわたる波長可変性など、InGaN の多くの優れた特性により多くの注目を集めていますが、これまでは側壁などの問題に悩まされてきました。デバイスのサイズが縮小するにつれて悪化する腐食損傷。さらに、偏光場の存在により、波長/色が不安定になります。この問題に対しては、非極性および半極性の InGaN およびフォトニック結晶共振器の解決策が提案されていますが、現時点では満足のいくものではありません。
『Light Science and Applications』誌に掲載された新しい論文の中で、ミシガン大学アナベル校のゼティアン・ミ教授率いる研究者らは、これらの障害を完全に克服するサブミクロンスケールの緑色LED iii（窒化物）を開発した。これらのμLEDは、選択的局所プラズマ支援分子線エピタキシーによって合成されました。従来のトップダウンアプローチとはまったく対照的に、ここでのμLEDは、数十ナノメートル離れた直径わずか100～200nmのナノワイヤのアレイで構成されています。このボトムアップのアプローチにより、基本的に側壁の腐食損傷が回避されます。
活性領域としても知られるデバイスの発光部分は、ナノワイヤの形態を特徴とするコアシェル多重量子井戸 (MQW) 構造で構成されています。特に、MQW は InGaN ウェルと AlGaN バリアで構成されます。側壁上のIII族元素のインジウム、ガリウム、アルミニウムの吸着原子移動の違いにより、ナノワイヤの側壁ではインジウムが欠落しており、GaN/AlGaNシェルがブリトーのようにMQWコアを包んでいることがわかりました。研究者らは、このGaN/AlGaNシェルのAl含有量が、ナノワイヤの電子注入側から正孔注入側に向かって徐々に減少することを発見した。 GaNとAlNの内部分極場の違いにより、AlGaN層のAl含有量の体積勾配により自由電子が誘導され、MQWコアに流れ込みやすくなり、分極場が減少することで色の不安定性が緩和されます。
実際、研究者らは、直径が 1 ミクロン未満のデバイスでは、エレクトロルミネッセンス、つまり電流誘起光の放出のピーク波長が、電流注入の変化のオーダーの大きさで一定のままであることを発見しました。さらに、Mi教授のチームは、シリコン上にナノワイヤLEDを成長させるために、シリコン上に高品質のGaNコーティングを成長させる方法を以前に開発した。したがって、µLED は Si 基板上に配置され、他の CMOS エレクトロニクスとの統合が可能になります。
このμLED には多くの潜在的な用途があります。チップ上の統合 RGB ディスプレイの発光波長が赤色に拡張されると、デバイス プラットフォームはより堅牢になります。
投稿日時: 2023 年 1 月 10 日