従来のLEDは、効率、安定性、デバイスサイズの面で優れた性能を発揮し、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膜を積層したもので、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型です。しかし、仮想現実や拡張現実といった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が求められています。マイクロまたはサブミクロンサイズのLED（μLED）は、従来のLEDが既に備えている、発光の安定性、高効率と高輝度、超低消費電力、フルカラー発光といった優れた特性を多く維持しつつ、面積が約100万分の1に縮小することで、よりコンパクトなディスプレイを実現できると期待されています。このようなLEDチップは、シリコン上に単一チップで成長させ、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、より高性能なフォトニック回路への道を開く可能性もあります。
しかしながら、これまで、特に緑色から赤色の発光波長範囲において、このようなマイクロLEDは実現が困難であった。従来のLEDマイクロLEDアプローチは、InGaN量子井戸（QW）膜をエッチングプロセスによって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ある。薄膜InGaN QWベースのtio2マイクロLEDは、効率的なキャリア輸送や可視光全域での波長可変性など、InGaNの優れた特性の多くにより大きな注目を集めてきたが、デバイスサイズが縮小するにつれて悪化する側壁腐食損傷などの問題に悩まされてきた。さらに、分極電界の存在により、波長/色の不安定性がある。この問題に対して、非極性および半極性InGaNやフォトニック結晶キャビティによる解決策が提案されているが、現状では満足のいくものではない。
Light Science and Applications誌に掲載された新しい論文で、ミシガン大学アナベル校のゼティアン・ミ教授率いる研究チームは、これらの障害を完全に克服するサブミクロンサイズの緑色LED III-窒化物を開発しました。これらのμLEDは、選択的領域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方式とは対照的に、このμLEDは、直径がわずか100～200 nmのナノワイヤのアレイで構成され、数十ナノメートル間隔で配置されています。このボトムアップ方式により、側壁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、すなわち活性領域は、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。具体的には、MQWはInGaN井戸とAlGaN障壁から構成されています。側壁における第III族元素であるインジウム、ガリウム、アルミニウムの吸着原子移動の違いにより、GaN/AlGaNシェルがMQWコアをブリトーのように包み込むナノワイヤの側壁にはインジウムが欠落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することを発見しました。GaNとAlNの内部分極電界の違いにより、AlGaN層におけるAl含有量のこのような体積勾配は自由電子を誘起し、自由電子は容易にMQWコアに流れ込み、分極電界を減少させることで色の不安定性を緩和します。
実際、研究者らは、直径1ミクロン未満のデバイスの場合、電流誘起発光（エレクトロルミネセンス）のピーク波長は、電流注入量の変化の1桁程度で一定に保たれることを発見した。さらに、ミ教授の研究チームは以前、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ている。そのため、マイクロLEDはシリコン基板上に形成され、他のCMOSエレクトロニクスとの統合が可能となる。
このマイクロLEDは、多くの潜在的な用途に容易に対応できる。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るだろう。
投稿日時：2023年1月10日