LED tradisional telah merevolusi bidang pencahayaan dan tampilan karena kinerjanya yang unggul dalam hal efisiensi, stabilitas, dan ukuran perangkat. LED biasanya berupa tumpukan film semikonduktor tipis dengan dimensi lateral milimeter, jauh lebih kecil daripada perangkat tradisional seperti lampu pijar dan tabung katoda. Namun, aplikasi optoelektronik yang sedang berkembang, seperti realitas virtual dan augmented reality, membutuhkan LED berukuran mikron atau kurang. Harapannya adalah LED skala mikro atau submikron (µLED) terus memiliki banyak kualitas unggul yang sudah dimiliki LED tradisional, seperti emisi yang sangat stabil, efisiensi dan kecerahan tinggi, konsumsi daya ultra-rendah, dan emisi warna penuh, sementara ukurannya sekitar satu juta kali lebih kecil, memungkinkan tampilan yang lebih ringkas. Chip LED semacam itu juga dapat membuka jalan bagi sirkuit fotonik yang lebih canggih jika dapat ditumbuhkan dalam bentuk chip tunggal pada Si dan diintegrasikan dengan elektronik semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS).
Namun, sejauh ini, mikroLED semacam itu masih sulit ditemukan, terutama dalam rentang panjang gelombang emisi hijau hingga merah. Pendekatan mikroLED tradisional adalah proses top-down di mana film sumur kuantum (QW) InGaN diukir menjadi perangkat skala mikro melalui proses etsa. Meskipun mikroLED tio2 berbasis QW InGaN film tipis telah menarik banyak perhatian karena banyak sifat unggul InGaN, seperti transportasi pembawa muatan yang efisien dan kemampuan penyesuaian panjang gelombang di seluruh rentang tampak, hingga saat ini mikroLED tersebut masih dihambat oleh masalah seperti kerusakan korosi dinding samping yang memburuk seiring dengan mengecilnya ukuran perangkat. Selain itu, karena adanya medan polarisasi, mikroLED tersebut memiliki ketidakstabilan panjang gelombang/warna. Untuk masalah ini, solusi rongga kristal fotonik dan InGaN non-polar dan semi-polar telah diusulkan, tetapi saat ini belum memuaskan.
Dalam sebuah makalah baru yang diterbitkan di Light Science and Applications, para peneliti yang dipimpin oleh Zetian Mi, seorang profesor di Universitas Michigan, Annabel, telah mengembangkan LED hijau skala submikron iii – nitrida yang mengatasi hambatan-hambatan ini sekali dan untuk selamanya. µLED ini disintesis dengan epitaksi berkas molekuler berbantuan plasma regional selektif. Berbeda sekali dengan pendekatan top-down tradisional, µLED di sini terdiri dari susunan nanowire, masing-masing hanya berdiameter 100 hingga 200 nm, dipisahkan oleh puluhan nanometer. Pendekatan bottom-up ini pada dasarnya menghindari kerusakan korosi dinding lateral.
Bagian pemancar cahaya dari perangkat, yang juga dikenal sebagai daerah aktif, terdiri dari struktur sumur kuantum ganda (MQW) inti-kulit yang dicirikan oleh morfologi nanowire. Secara khusus, MQW terdiri dari sumur InGaN dan penghalang AlGaN. Karena perbedaan migrasi atom teradsorpsi dari unsur-unsur Grup III indium, galium, dan aluminium pada dinding samping, kami menemukan bahwa indium hilang pada dinding samping nanowire, di mana lapisan GaN/AlGaN membungkus inti MQW seperti burrito. Para peneliti menemukan bahwa kandungan Al dari lapisan GaN/AlGaN ini menurun secara bertahap dari sisi injeksi elektron nanowire ke sisi injeksi lubang. Karena perbedaan medan polarisasi internal GaN dan AlN, gradien volume kandungan Al dalam lapisan AlGaN tersebut menginduksi elektron bebas, yang mudah mengalir ke inti MQW dan mengurangi ketidakstabilan warna dengan mengurangi medan polarisasi.
Faktanya, para peneliti telah menemukan bahwa untuk perangkat dengan diameter kurang dari satu mikron, panjang gelombang puncak elektroluminesensi, atau emisi cahaya yang diinduksi arus, tetap konstan pada orde besaran perubahan injeksi arus. Selain itu, tim Profesor Mi sebelumnya telah mengembangkan metode untuk menumbuhkan lapisan GaN berkualitas tinggi pada silikon untuk menumbuhkan LED nanowire pada silikon. Dengan demikian, µLED berada di atas substrat Si yang siap untuk diintegrasikan dengan elektronik CMOS lainnya.
µLED ini memiliki banyak potensi aplikasi. Platform perangkat akan menjadi lebih tangguh seiring dengan perluasan panjang gelombang emisi tampilan RGB terintegrasi pada chip hingga ke warna merah.
Waktu posting: 10 Januari 2023