基于銦鎵氮化物(InGaN)多量子阱的應(yīng)變工程，美國密歇根大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出單片集成的琥珀-綠-藍(lán)色LED(圖1)。該應(yīng)變工程是通過蝕刻不同直徑的納米柱來實現(xiàn)。　　

圖1.各種直徑的納米柱LED陣列自上向下制造示意圖

　　研究人員希望未來能用635nm光致發(fā)光的量子阱生產(chǎn)出紅-綠-藍(lán)LED，為基于這種像素LED的微顯示器提供可行的方法。其他潛在應(yīng)用包括照明、生物傳感器和光遺傳學(xué)。

　　除了美國國家科學(xué)基金會(NSF)的支持外，三星還為制造和設(shè)備設(shè)計提供了支持。研究人員希望開發(fā)出基于現(xiàn)有制造基礎(chǔ)設(shè)施的芯片級多色LED平臺。

　　外延材料通過金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在2英寸無圖案藍(lán)寶石上生長。發(fā)光有源區(qū)域由5個2.5nm InGaN阱組成，由12nm GaN柵極隔開。電子阻擋層和p-接觸層分別由20nm的氮化鋁鎵(p-Al0.2Ga0.8N)和150nm的p-GaN組成。

　　使用電子束光刻使納米柱成型，用鎳掩模進(jìn)行混合干濕法蝕刻處理。大部分蝕刻是干的電感耦合等離子體，濕法蝕刻階段用于實現(xiàn)最終直徑，并且去除干法蝕刻步驟中的損害。蝕刻深度約為300nm。在整個制造過程中，保護(hù)蝕刻掩模，目的是為了保護(hù)p-GaN表面。

　　在對50nm氮化硅進(jìn)行等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)之后，用旋涂式玻璃對結(jié)構(gòu)進(jìn)行平整，以電隔離n和p-GaN部分。

　　將平整后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行干式回蝕，以暴露柱的尖端。用硝酸溶液除去鎳掩模材料。 p接觸的鎳/金金屬化在空氣中進(jìn)行熱退火。

　　設(shè)備的電氣性能在5V反向偏壓下顯示出每像素約3x10-7A的低泄漏。低泄漏歸因于兩個因素 - 扁平量子阱提供了低電流擁擠效應(yīng)，以及由應(yīng)變引發(fā)的載流子到納米柱中心的限制。在較窄的納米柱中由于更大的電流密度造成的下降效應(yīng)的風(fēng)險，可通過減小應(yīng)變進(jìn)行改善，因此降低了由于III-氮化物中化學(xué)鍵的電荷極化引起的電場而出現(xiàn)的量子限制“斯塔克效應(yīng)”。

　　像素由具有不同直徑、發(fā)出不同顏色的柱構(gòu)成(圖2)。隨著直徑的增加，波長變長，變化更大。研究人員將變化歸因于晶圓上量子阱厚度的變化。　　

　　圖2.(a)從50nm、100nm和800nm直徑的納米柱和薄膜LED像素獲得的藍(lán)色(487nm)、綠色(512nm)、橙色(575nm)和琥珀色(600nm)光的室溫電致發(fā)光光譜。

　　(b)采用一維應(yīng)力松弛理論得出的光波長。

　　(c)各種施加偏置電壓下的主峰位置。

　　隨著電壓和電流注入的增加，越來越寬松的窄納米管也顯示較少的波長藍(lán)移。 800nm直徑納米柱像素的藍(lán)移在2.8V和4V之間為40nm。這歸功于研究團(tuán)隊篩選阱中依賴于應(yīng)變的壓電場。

　　該團(tuán)隊通過脈沖頻率調(diào)制固定偏置電壓及改變強度，因此來穩(wěn)定像素的輸出波長。通過這個試驗表明，所有像素類型給出了穩(wěn)定的波長和相對電致發(fā)光強度，其與脈沖信號的占空比呈現(xiàn)幾乎線性地變化。脈沖寬度為400μs。 脈沖頻率在200Hz和2000Hz之間變化。