لقد أحدثت تقنية LED التقليدية ثورة في مجال الإضاءة والعرض بفضل أدائها المتفوق من حيث الكفاءة.

أحدثت مصابيح LED التقليدية ثورة في مجال الإضاءة والعرض بفضل أدائها المتميز من حيث الكفاءة والاستقرار وحجم الجهاز. تتكون مصابيح LED عادةً من طبقات رقيقة من أشباه الموصلات بأبعاد جانبية تصل إلى ملليمترات، وهي أصغر بكثير من الأجهزة التقليدية مثل المصابيح المتوهجة وأنابيب الكاثود. مع ذلك، تتطلب التطبيقات الكهروضوئية الناشئة، مثل الواقع الافتراضي والمعزز، مصابيح LED بحجم ميكرونات أو أقل. ويُؤمل أن تحافظ مصابيح LED ذات الحجم الميكروني أو دون الميكروني (µleds) على العديد من المزايا التي تتمتع بها مصابيح LED التقليدية، مثل الانبعاث المستقر للغاية، والكفاءة والسطوع العاليين، واستهلاك الطاقة المنخفض للغاية، وانبعاث الألوان الكاملة، مع كونها أصغر حجمًا بحوالي مليون مرة، مما يسمح بتصنيع شاشات عرض أكثر إحكامًا. كما يمكن أن تمهد رقائق LED هذه الطريق لدوائر ضوئية أكثر قوة إذا أمكن زراعتها على شريحة واحدة على السيليكون ودمجها مع إلكترونيات أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية (CMOS).

مع ذلك، لا تزال مصابيح LED الدقيقة هذه بعيدة المنال حتى الآن، لا سيما في نطاق أطوال موجات الانبعاث من الأخضر إلى الأحمر. يعتمد النهج التقليدي لمصابيح LED الدقيقة على عملية تصنيع من الأعلى إلى الأسفل، حيث تُحفر أغشية الآبار الكمومية (QW) المصنوعة من InGaN لتشكيل أجهزة دقيقة الحجم. ورغم أن مصابيح LED الدقيقة المصنوعة من أغشية رقيقة من InGaN QW والمبنية على ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) قد حظيت باهتمام كبير نظرًا لخصائص InGaN الممتازة، مثل كفاءة نقل الشحنات وإمكانية ضبط الطول الموجي عبر نطاق الضوء المرئي، إلا أنها لا تزال تعاني من مشاكل مثل تلف الجدران الجانبية الناتج عن التآكل، والذي يتفاقم مع تصغير حجم الجهاز. إضافةً إلى ذلك، وبسبب وجود مجالات الاستقطاب، تعاني هذه المصابيح من عدم استقرار في الطول الموجي واللون. ولحل هذه المشكلة، اقتُرحت حلول باستخدام InGaN غير قطبي وشبه قطبي، بالإضافة إلى تجاويف بلورية ضوئية، إلا أنها غير مُرضية في الوقت الراهن.

في ورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة "علوم وتطبيقات الضوء"، طوّر باحثون بقيادة أنابيل زيتيان مي، الأستاذة بجامعة ميشيغان، مصباح LED أخضر من نوع نيتريد III بحجم دون الميكرون، يتغلب على هذه العقبات نهائيًا. وقد تم تصنيع هذه المصابيح بتقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي بمساعدة البلازما الإقليمية الانتقائية. وعلى النقيض تمامًا من النهج التقليدي من الأعلى إلى الأسفل، يتكون هذا المصباح من مصفوفة من الأسلاك النانوية، يبلغ قطر كل منها 100 إلى 200 نانومتر فقط، وتفصل بينها مسافة عشرات النانومترات. ويتجنب هذا النهج من الأسفل إلى الأعلى بشكل أساسي تلف التآكل الجانبي للجدران.

يتكون الجزء الباعث للضوء في الجهاز، والمعروف أيضًا بالمنطقة الفعالة، من هياكل آبار كمومية متعددة (MQW) ذات بنية أساسية-غلافية، تتميز بشكلها النانوي السلكي. وتتألف هذه البنية تحديدًا من بئر InGaN وحاجز AlGaN. ونظرًا لاختلاف هجرة ذرات عناصر المجموعة الثالثة، الإنديوم والغاليوم والألومنيوم، الممتصة على الجدران الجانبية، فقد وجدنا أن الإنديوم غائب على هذه الجدران، حيث يحيط غلاف GaN/AlGaN بنواة البئر الكمومية المتعددة (MQW) كما لو كان ملفوفًا في شطيرة. ووجد الباحثون أن محتوى الألومنيوم في هذا الغلاف يتناقص تدريجيًا من جانب حقن الإلكترونات في الأسلاك النانوية إلى جانب حقن الفجوات. وبسبب اختلاف مجالات الاستقطاب الداخلية بين GaN وAlN، فإن هذا التدرج الحجمي في محتوى الألومنيوم في طبقة AlGaN يُحفز الإلكترونات الحرة، التي يسهل تدفقها إلى نواة البئر الكمومية المتعددة (MQW)، مما يُخفف من عدم استقرار اللون عن طريق تقليل مجال الاستقطاب.

في الواقع، وجد الباحثون أنه بالنسبة للأجهزة التي يقل قطرها عن ميكرون واحد، يظل الطول الموجي الأقصى للتألق الكهربائي، أو انبعاث الضوء الناتج عن التيار، ثابتًا بمقدار رتبة واحدة من التغير في حقن التيار. إضافةً إلى ذلك، طوّر فريق البروفيسور مي سابقًا طريقةً لترسيب طبقات عالية الجودة من نيتريد الغاليوم على السيليكون، وذلك لإنتاج مصابيح LED نانوية الأسلاك على السيليكون. وبالتالي، يُثبّت مصباح LED ميكروي على ركيزة من السيليكون، جاهزًا للدمج مع إلكترونيات CMOS الأخرى.

تتمتع هذه الميكروليد بالعديد من التطبيقات المحتملة. ستصبح منصة الجهاز أكثر متانة مع توسع نطاق الطول الموجي لانبعاث شاشة RGB المدمجة على الشريحة ليشمل اللون الأحمر.