Традиционные светодиоды представляют собой плоские (планарные) структуры, которые выпускаются практически так же, как и транзисторы. Но если при производстве транзисторов достигнут прогресс в виде вертикальных каналов (FinFET), что позволяет пропускать через них большие токи, то светодиоды ещё никто не додумался «поставить на ребро», чтобы они светили ярче и работали дольше. Впрочем, эксперимент уже поставлен, и его результаты обнадёживают.
Структура перспективного светодиода с вертикальным светящимся элементом (NIST)
Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) сообщил, что под руководством его учёных команда исследователей из Университета Мэриленда, Политехнического института Ренсселера и Исследовательского центра IBM им. Томаса Дж. Ватсона разработала и испытала необычную структуру мельчайших светодиодов. Предложенная командой структура светодиода, испытанная в лаборатории, обеспечила «резкое» увеличение яркости свечения и даже позволила превратить светодиод в полупроводниковый лазер без каких-либо дополнительных ухищрений (резонаторов и прочего).
По сравнению с обычными крошечными светодиодами субмикронных размеров предложенное учёными решение показало увеличение яркости от 100 до 1000 раз. Это невероятно, хотя учёные использовали те же материалы, что и при производстве массовых сверхъярких светодиодов (нитрид галлия, оксид цинка, титан, золото). «Мы используем те же материалы, что и в обычных светодиодах. Наша разница [заключается] в их форме», ― сказал руководитель проекта, учёный из NIST Бабак Никобахт (Babak Nikoobakht).
До определенного момента подача на светодиод большего количества электричества заставляет его светить более ярко, но вскоре яркость падает, что делает светодиод очень неэффективным. Эта проблема, названная в отрасли «падением эффективности», препятствует использованию светодиодов в ряде многообещающих приложений, от коммуникационных технологий до уничтожения вирусов.
Интересно, что изначально учёные из NIST не ставили перед собой задачу пробить барьер низкой эффективности светодиодов. Их главной целью было создание микроскопического светодиода для использования в очень небольших приложениях, таких как технология «лаборатория на кристалле», которую разрабатывают ученые из NIST и других организаций. Но вышло лучше и совсем не там (подробнее см. статью в Science Advances).
В ходе экспериментов с совершенно новым дизайном светящейся части светодиода учёные построили источник света из длинных тонких нитей оксида цинка, которые они называют плавниками. Каждый плавник имеет длину всего около 5 микрометров, что составляет примерно десятую часть ширины среднего человеческого волоса. Длина плавников или рёбер может достигать одного сантиметра и более, что будет задавать характеристики этим приборам.
Иллюстрация из статьи в журнале Science Advances
Как и в случае с FinFET-транзисторами, каналы которых окружены затвором с трёх сторон, вертикальный светящийся элемент светодиода позволил подавать на него ток также через боковые грани. Эксперимент буквально потряс учёных. Вертикальная конструкция излучала свет мощностью до 20 мкВт, тогда как аналогичный по площади планарный светодиод мог излучать не более 22 нВт или в 100–1000 раз слабее.
Вторым сюрпризом стало то, что при увеличении тока свечение «вертикального» светодиода в диапазоне широкого спектра волн на границе фиолетового и ультрафиолетового превратилось в излучение всего из двух волн в диапазоне интенсивного ультрафиолетового света. Тем самым светодиод фактически превратился в полупроводниковый лазер простым движением руки.
Крошечный лазер будет иметь решающее значение для приложений в масштабе чипов не только для химических проб (анализа), но и для портативных устройств связи следующего поколения, дисплеев с высоким разрешением и обеззараживания поверхностей.
«У него большой потенциал, чтобы стать важным строительным блоком», ― сказал Никобахт. ― Хотя это не самый маленький лазер, созданный людьми, он очень яркий. Отсутствие падения эффективности может сделать его полезным».
