أحدثت تقنية LED التقليدية ثورةً في مجال الإضاءة والعرض بفضل أدائها المتفوق من حيث الكفاءة والاستقرار وحجم الجهاز. عادةً ما تكون هذه التقنية عبارة عن أكوام من أغشية أشباه الموصلات الرقيقة بأبعاد جانبية تبلغ المليمترات، وهي أصغر بكثير من الأجهزة التقليدية مثل المصابيح المتوهجة وأنابيب الكاثود. ومع ذلك، تتطلب التطبيقات الإلكترونية البصرية الناشئة، مثل الواقع الافتراضي والمعزز، مصابيح LED بحجم ميكرون أو أقل. ويؤمل أن تحافظ مصابيح LED ذات الحجم الصغير أو دون الميكرون (µleds) على العديد من الصفات المتفوقة التي تتمتع بها مصابيح LED التقليدية بالفعل، مثل الانبعاث عالي الاستقرار، والكفاءة العالية والسطوع، واستهلاك الطاقة المنخفض للغاية، وانبعاث الألوان الكاملة، مع صغر مساحتها بحوالي مليون مرة، مما يسمح بشاشات أكثر إحكامًا. يمكن أن تمهد هذه الرقائق الطريق أيضًا لدوائر فوتونية أكثر قوة إذا أمكن تطويرها على رقاقة واحدة على السيليكون ودمجها مع إلكترونيات أشباه الموصلات المعدنية المكملة (CMOS).
ومع ذلك، ظلت هذه المصابيح المكروية بعيدة المنال حتى الآن، وخاصة في نطاق الطول الموجي للانبعاث من الأخضر إلى الأحمر. إن نهج الصمام الثنائي المكروية التقليدي هو عملية من أعلى إلى أسفل يتم فيها حفر أغشية بئر الكم (QW) من InGaN في أجهزة دقيقة الحجم من خلال عملية حفر. في حين أن مصابيح µleds ذات الأغشية الرقيقة القائمة على InGaN QW قد جذبت الكثير من الاهتمام بسبب العديد من خصائص InGaN الممتازة، مثل النقل الفعال للناقل وقابلية ضبط الطول الموجي في جميع أنحاء النطاق المرئي، إلا أنها حتى الآن كانت تعاني من مشكلات مثل تلف التآكل في الجدار الجانبي الذي يزداد سوءًا مع تقلص حجم الجهاز. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لوجود مجالات الاستقطاب، فإنها تعاني من عدم استقرار الطول الموجي/اللون. بالنسبة لهذه المشكلة، تم اقتراح حلول تجويف البلورة الفوتونية وحلول InGaN غير القطبية وشبه القطبية، ولكنها غير مرضية في الوقت الحالي.
في ورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة Light Science and Applications، طوّر باحثون بقيادة زيتيان مي، الأستاذة في جامعة ميشيغان، أنابيل، نيتريد LED iii أخضر بمقياس دون الميكرون، يتغلب على هذه العقبات نهائيًا. صُنعت هذه المصابيح µLEDs بواسطة تكاثر شعاعي جزيئي إقليمي انتقائي بمساعدة البلازما. وعلى النقيض تمامًا من النهج التقليدي من أعلى إلى أسفل، يتكون µLED هنا من مصفوفة من الأسلاك النانوية، يتراوح قطر كل منها بين 100 و200 نانومتر فقط، وتفصل بينها عشرات النانومترات. هذا النهج من أسفل إلى أعلى يتجنب بشكل أساسي تلف الجدار الجانبي للتآكل.
يتكون الجزء الباعث للضوء من الجهاز، والمعروف أيضًا بالمنطقة النشطة، من هياكل الآبار الكمية المتعددة (MQW) ذات النواة والقشرة، والتي تتميز بمورفولوجيا الأسلاك النانوية. على وجه الخصوص، تتكون MQW من بئر InGaN وحاجز AlGaN. نظرًا للاختلافات في هجرة الذرات الممتزة لعناصر المجموعة الثالثة، الإنديوم والغاليوم والألومنيوم، على الجدران الجانبية، وجدنا أن الإنديوم كان مفقودًا على الجدران الجانبية للأسلاك النانوية، حيث غلف غلاف GaN/AlGaN قلب MQW مثل البوريتو. وجد الباحثون أن محتوى Al في غلاف GaN/AlGaN هذا انخفض تدريجيًا من جانب حقن الإلكترونات في الأسلاك النانوية إلى جانب حقن الثقب. نظرًا للاختلاف في مجالات الاستقطاب الداخلية لـ GaN وAlN، فإن هذا التدرج الحجمي لمحتوى Al في طبقة AlGaN يحفز الإلكترونات الحرة، والتي يسهل تدفقها إلى قلب MQW وتخفف من عدم استقرار اللون عن طريق تقليل مجال الاستقطاب.
في الواقع، وجد الباحثون أنه بالنسبة للأجهزة التي يقل قطرها عن ميكرون واحد، يظل طول موجة الذروة للتألق الكهربائي، أو انبعاث الضوء المُستحث بالتيار، ثابتًا بمقدار رتبة من التغير في ضخ التيار. بالإضافة إلى ذلك، طوّر فريق البروفيسور مي سابقًا طريقةً لزراعة طلاءات GaN عالية الجودة على السيليكون لإنتاج مصابيح LED نانوية الأسلاك على السيليكون. وهكذا، يُوضع مصباح LED µ على ركيزة من السيليكون جاهزًا للدمج مع إلكترونيات CMOS الأخرى.
هذا الصمام الثنائي الباعث للضوء (µLED) له تطبيقات متعددة. ستزداد منصة الجهاز متانةً مع اتساع طول موجة انبعاث شاشة RGB المدمجة في الشريحة إلى اللون الأحمر.
وقت النشر: ١٠ يناير ٢٠٢٣