従来の LED は、効率、安定性、デバイスサイズの点で優れた性能により、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単位の薄い半導体フィルムのスタックであり、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。しかし、仮想現実や拡張現実などの新興の光電子工学アプリケーションでは、ミクロン単位のサイズの 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、従来の LED がすでに備えている優れた品質の多く、たとえば非常に安定した発光、高効率と高輝度、超低消費電力、フルカラー発光などを維持しながら、面積が約 100 万分の 1 に小さいため、よりコンパクトなディスプレイが可能になることが期待されています。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することができれば、より強力な光子回路への道も開く可能性があります。
しかし、これまでのところ、このようなµLEDは、特に緑から赤の発光波長域では、実現が困難でした。従来のµLEDアプローチは、エッチングプロセスによってInGaN量子井戸（QW）フィルム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範囲全体にわたる波長調整可能性など、InGaNの優れた特性の多くから大きな注目を集めてきましたが、これまでは、デバイスサイズの縮小に伴って悪化する側壁腐食損傷などの問題に悩まされてきました。さらに、分極場の存在により、波長/色が不安定になります。この問題に対して、非極性および半極性InGaNおよびフォトニック結晶キャビティソリューション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。
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、『Light Science and Applications』誌に掲載された新しい論文で、これらの課題を完全に克服するサブミクロンスケールの緑色LED III-窒化物を開発しました。このマイクロLEDは、選択的局所プラズマ支援分子線エピタキシー法によって合成されました。従来のトップダウン方式とは対照的に、このマイクロLEDは、直径わずか100～200nmのナノワイヤのアレイで構成され、ナノワイヤ間の間隔は数十ナノメートルです。このボトムアップ方式により、側面の腐食による損傷を実質的に回避できます。
デバイスの発光部分、別名アクティブ領域は、ナノワイヤ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井戸とAlGaNバリアで構成されています。III族元素のインジウム、ガリウム、アルミニウムの側壁での吸着原子移動の違いにより、GaN / AlGaNシェルがブリトーのようにMQWコアを包んでいるナノワイヤの側壁ではインジウムが不足して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していることを発見しました。GaNとAlNの内部分極場の違いにより、AlGaN層のこのようなAl含有量の体積勾配によって自由電子が誘発され、MQWコアに流れ込みやすくなり、分極場を低減することで色の不安定性を軽減します。
実際、研究者たちは、直径1ミクロン未満のデバイスでは、電流誘起発光（エレクトロルミネセンス）のピーク波長が、注入電流の変化の1桁分だけ一定であることを発見しました。さらに、ミ教授のチームは以前、シリコン上に高品質のGaNコーティングを成長させ、シリコン上にナノワイヤLEDを成長させる方法を開発しました。これにより、シリコン基板上にナノワイヤLEDを実装し、他のCMOSエレクトロニクスと統合することが可能になります。
このµLEDは、多くの用途に容易に応用できます。チップに統合されたRGBディスプレイの発光波長が赤色まで拡大するにつれて、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