在硅衬底上单片生长的波长稳定的绿色InGaN微型LED

凭借其卓越的效率、稳定性和设备体积特性，传统发光二极管(LED)已经彻底改变了照明和显示世界。LED通常是横向尺寸约为毫米的半导体薄膜堆叠，比白炽灯泡和阴极管等传统设备小得多。

然而，新兴的光电应用(如虚拟现实和增强现实)需要尺寸为微米或更小的LED。希望微米或亚微米级LED(µLED)继续拥有传统LED已经具备的许多卓越品质，例如高稳定性发射、高效率和亮度、超低功耗和全色发射，同时大约面积小一百万倍，可实现更紧凑的显示。

如果这种µLED可以在Si上单片生长以与互补金属氧化物半导体(CMOS)电子器件集成，那么它们也将为更强大的光子电路铺平道路。

然而，迄今为止，这种µLED仍然难以捉摸，尤其是在绿色到红色的发射波长范围内。µLED的传统方法是一种自上而下的工艺，其中InGaN量子阱(QW)薄膜通过蚀刻工艺被图案化成具有微尺度尺寸的器件。

虽然基于薄膜InGaNQW的µLED由于InGaN的许多理想特性(例如在整个可见光范围内的高效电荷载流子传输和波长可调性)而引起了广泛关注，但到目前为止，它们一直受到诸如侧壁蚀刻损坏等问题的困扰。随着设备尺寸的缩小。

此外，由于极化场，它们会遭受波长/颜色的不稳定性，为此已经提出了诸如非极性和半极性InGaN和光子晶体腔等解决方案，但迄今为止并不令人满意。

在发表于Light:Science&Applications的一篇新论文中，由美国密歇根大学安娜堡分校的ZetianMi教授领导的研究人员开发了III族氮化物亚微米级绿色µLED，可以同时克服这些障碍。这些µLED采用选择性区域等离子体辅助分子束外延技术合成。

与传统的自上而下的方法形成鲜明对比的是，这里的µLED由纳米线阵列组成，每条纳米线的直径仅为100~200nm，相距数十纳米。这种自下而上的方法本质上避免了侧壁蚀刻损坏。

该器件的发光部分，也称为有源区，由纳米线形态所独有的核壳多量子阱(MQW)结构组成。特别是，MQW由InGaN阱和AlGaN势垒组成。

由于铟、镓和铝的III族元素在侧壁上吸附原子迁移的差异，发现在纳米线的侧壁上不存在铟，其中GaN/AlGaN壳像卷饼一样包裹着MQW核心。研究人员发现，这种GaN/AlGaN壳的Al含量从纳米线的电子注入侧向空穴注入侧降低。

由于GaN和AlN之间的内部极化场不同，AlGaN层中Al含量的这种体积梯度会诱导自由电子，这些自由电子可以很容易地流入MQW核心，通过减轻极化场来缓解颜色不稳定性。

事实上，研究人员发现，对于直径小于一微米的器件，电致发光或电流诱导的光发射的峰值波长在电流注入变化的一个数量级内保持恒定。

此外，米教授课题组此前开发了一种在硅上生长高质量GaN外延层的方法，在其上生长纳米线μLED。因此，µLED原生位于Si基板上，可以与其他CMOS电子设备集成。

这种µLED很容易拥有许多潜在的应用场景。随着发射波长扩展到红色以用于片上集成RGB显示器，设备平台将变得更加强大。