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

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光致發光的量子阱生產出紅-綠-藍LED，為基于這種像素LED的微顯示器提供可行的方法。其他潛在應用包括照明、生物傳感器和光遺傳學。

 

　　除了美國國家科學基金會（NSF）的支持外，三星還為制造和設備設計提供了支持。研究人員希望開發出基于現有制造基礎設施的芯片級多色LED平臺。

 

　　外延材料通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）在2英寸無圖案藍寶石上生長。發光有源區域由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，保護蝕刻掩模，目的是為了保護p-GaN表面。

 

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

 

　　將平整后的結構進行干式回蝕，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行熱退火。

 

　　設備的電氣性能在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，以及由應變引發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的風險，可通過減小應變進行改善，因此降低了由于III-氮化物中化學鍵的電荷極化引起的電場而出現的量子限制“斯塔克效應”。

 

　　像素由具有不同直徑、發出不同顏色的柱構成（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像素獲得的藍色（487nm）、綠色（512nm）、橙色（575nm）和琥珀色（600nm）光的室溫電致發光光譜。

 

　　（b）采用一維應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移。 800nm直徑納米柱像素的藍移在2.8V和4V之間為40nm。這歸功于研究團隊篩選阱中依賴于應變的壓電場。

 

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