Gracias a su mayor eficiencia, estabilidad y volumen de los dispositivos, los diodos emisores de luz (LED) convencionales ya han revolucionado el mundo de la iluminación y las pantallas. Sin embargo, las aplicaciones optoelectrónicas emergentes, como la realidad virtual y la realidad aumentada, aún exigen importantes retos. 

Los LED están formados por materiales semiconductores a modo de capas con dimensiones laterales del orden de los milímetros, que son mucho más pequeñas que los dispositivos tradicionales de iluminación. Sin embargo, las nuevas aplicaciones relacionadas con la realidad virtual y aumentada exigen LEDs con dimensiones a escala de micrómetros o incluso menores. 

El objetivo sería, por tanto, que los LED de escala micro o submicrométrica (μLED) sigan poseyendo las fabulosas cualidades de los LEDs convencionales, como una emisión muy estable, una alta eficiencia y brillo, un consumo de energía ultrabajo y una emisión a todo color, al tiempo que su superficie es aproximadamente un millón de veces menor, lo que permite una visualización mucho más compacta. Sin embargo, hasta la fecha, estos μLED siguen siendo difíciles de conseguir, especialmente en la gama de longitudes de onda de emisión del verde al rojo.

En un nuevo paper publicado en Light: Science & Applications de NATURE, unos investigadores dirigidos por el profesor Zetian Mi, de la Universidad de Michigan en Ann Arbor (EE.UU.), han desarrollado unos μLED verdes a escala submicrométrica de III-nitruro que superan muchas de las barreras del desarrollo actual de microLEDS.

Nuevas formas de desarrollo de μLEDs

El enfoque convencional de los μLED es un proceso descendente en el que las películas finas de pozos cuánticos de InGaN se modelan en dispositivos con dimensiones en la microescala mediante procesos de grabado. 

Aunque los μLEDs basados en pozos cuánticos de película fina han atraído mucha atención debido a las numerosas propiedades deseables del InGaN, como el transporte eficiente de portadores de carga y la sintonización de longitudes de onda en todo el rango visible, hasta ahora han sufrido problemas como el daño por grabado lateral que empeora a medida que el tamaño del dispositivo se reduce.

Además, sufren de inestabilidad de longitud de onda/color debido a los campos de polarización, para los que se han propuesto soluciones como cavidades de InGaN no polares y semipolares y de cristal fotónico, pero que hasta ahora no han sido satisfactorias.

En este nuevo estudio, los investigadores han logrado unos μLED verdes a escala submicrométrica de III-nitruro que superan todas estas barreras a la vez, a través de un enfoque ascendente, sintetizando los μLED con epitaxia de haz molecular asistida por plasma de área selectiva. 

A diferencia del enfoque convencional descendente, los μLEDs están formados por conjuntos de nanocables, cada uno de los cuales tiene un diámetro de sólo 100~200 nm y está separado por decenas de nanómetros. Este enfoque ascendente evita intrínsecamente el daño por grabado de las paredes laterales.

La parte emisora de luz del dispositivo, también conocida como región activa, consiste en una estructura de múltiples pozos cuánticos (MQW) que es exclusiva de la morfología de los nanocables. En concreto, la MQW está formada por pozos de InGaN y barreras de AlGaN.

Debido a la diferencia de campo de polarización interna entre el GaN y el AlN, este gradiente de contenido de Al en las capas de AlGaN induce electrones libres, que pueden fluir fácilmente hacia el núcleo del MQW para aliviar la inestabilidad del color mitigando los campos de polarización.

De hecho, los investigadores han descubierto que la longitud de onda máxima de la electroluminiscencia, o emisión de luz inducida por la corriente eléctrica, permanece constante a lo largo de un orden de magnitud de cambio en la inyección de corriente, para un dispositivo con un diámetro inferior a un micrómetro.

Además, el grupo del profesor Mi ha desarrollado previamente un método para cultivar una epilámina de GaN de alta calidad sobre silicio, sobre la que se cultivan los μLED de nanohilos. De este modo, los μLED se asientan de forma nativa en un sustrato de Si, listos para su integración con otros componentes electrónicos CMOS, abriendo el camino a circuitos fotónicos mucho más potentes. 

Estos μLED abren, por tanto, un gran potencial para su uso en múltiples aplicaciones relacionadas con la optoelectrónica, aportando una vía viable para el diseño, la fabricación y la integración de μLEDs de alto rendimiento sobre Si para una amplia gama de aplicaciones en la comunicación óptica en el chip y los dispositivos emergentes de realidad aumentada/realidad mixta, etc.

Imagen de portada: Unsplash

Resto de imágenes: InGaN micro-light-emitting diodes monolithically grown on Si: achieving ultra-stable operation through polarization and strain engineering, 2022