Hallan una forma de generar luz con los defectos en los materiales de semiconducción

Física

Investigadores del Grupo de Investigación Interdisciplinaria de Sistemas Electrónicos de Baja Energía de la Alianza de Investigación y Tecnología de Singapur-MIT, la empresa de investigación del MIT en Singapur, junto con colaboradores del MIT, la Universidad Nacional de Singapur y la Universidad Tecnológica de Nanyang han descubierto un nuevo método para generar largo luz de longitud de onda (roja, naranja y amarilla) mediante el uso de defectos intrínsecos en materiales semiconductores, con aplicaciones potenciales como emisores de luz directa en fuentes de luz comerciales y pantallas. Esta tecnología sería una mejora con respecto a los métodos actuales, que utilizan fósforos, por ejemplo, para convertir un color de luz en otro.

Un tipo de diodo emisor de luz (LED) basado en nitruro de elemento del grupo III, los LED de nitruro de galio indio (InGaN) se fabricaron por primera vez hace más de dos décadas en los años 90, y desde entonces han evolucionado para volverse cada vez más pequeños mientras se vuelven cada vez más potentes y eficientes. y duradero. Hoy en día, los LED de InGaN se pueden encontrar en una gran variedad de casos de uso industriales y de consumo, que incluyen señales, comunicación óptica y almacenamiento de datos, y son fundamentales en aplicaciones de consumo de alta demanda, como iluminación de estado sólido, televisores, computadoras portátiles, dispositivos móviles, (AR) y soluciones de realidad virtual (VR).

La demanda cada vez mayor de estos dispositivos electrónicos ha impulsado más de dos décadas de investigación para lograr una mayor salida óptica, confiabilidad, longevidad y versatilidad de los semiconductores, lo que lleva a la necesidad de LED que puedan emitir diferentes colores de luz. Tradicionalmente, el material InGaN se ha utilizado en los LED modernos para generar luz violeta y azul, con fosfuro de indio, galio y aluminio (AlGaInP), un tipo diferente de semiconductor, que se utiliza para generar luz roja, naranja y amarilla. Esto se debe al bajo rendimiento de InGaN en el espectro rojo y ámbar causado por una reducción en la eficiencia como resultado de los niveles más altos de indio requeridos.

Además, estos LED de InGaN con concentraciones de indio considerablemente altas siguen siendo difíciles de fabricar utilizando estructuras semiconductoras convencionales. Como tal, la realización de dispositivos emisores de luz blanca totalmente de estado sólido, que requieren los tres colores primarios de luz, sigue siendo un objetivo sin lograr.

Al abordar estos desafíos, los investigadores de SMART han presentado sus hallazgos en un artículo titulado “V-Pits emisores de luz: un enfoque alternativo hacia los puntos cuánticos luminiscentes ricos en indio InGaN”, publicado recientemente en la revista ACS Photonics. En su artículo, los investigadores describen un método práctico para fabricar puntos cuánticos de InGaN con una concentración de indio significativamente más alta mediante el uso de defectos preexistentes en los materiales de InGaN.

En este proceso, la coalescencia de los llamados pozos en V, que resultan de dislocaciones que existen naturalmente en el material, forma directamente puntos cuánticos ricos en indio, pequeñas islas de material que emiten luz de longitud de onda más larga. Al hacer crecer estas estructuras sobre sustratos de silicio convencionales, se elimina aún más la necesidad de crear patrones o sustratos no convencionales. Los investigadores también llevaron a cabo un mapeo composicional de alta resolución espacial de los puntos cuánticos de InGaN, proporcionando la primera confirmación visual de su morfología.

Además de la formación de puntos cuánticos, la nucleación de fallas de apilamiento, otro defecto intrínseco del cristal, contribuye aún más a las emisiones de longitudes de onda más largas. Jing-Yang Chung, estudiante graduado SMART y autor principal del artículo, dijo: “Durante años, los investigadores en el campo han intentado abordar los diversos desafíos presentados por los defectos inherentes en las estructuras de los pozos cuánticos de InGaN. En un enfoque novedoso, en su lugar diseñamos un defecto de nano-pozo para lograr una plataforma para el crecimiento directo de puntos cuánticos de InGaN. Como resultado, nuestro trabajo demuestra la viabilidad de usar sustratos de silicio para nuevas estructuras ricas en indio, que además de abordar los desafíos actuales en las bajas eficiencias de InGaN de longitud de onda larga emisores de luz, también alivian el problema de los sustratos costosos”.

De esta manera, el descubrimiento de SMART representa un importante paso adelante en la superación de la reducida eficiencia de InGaN al producir luz roja, naranja y amarilla. A su vez, este trabajo podría ser fundamental en el futuro desarrollo de matrices de micro LED que constan de un solo material.

La Dra. Silvija Gradečak, coautora e investigadora principal de LEES, agregó: “Nuestro descubrimiento también tiene implicaciones para el medio ambiente. Por ejemplo, este avance podría conducir a una eliminación más rápida de las fuentes de iluminación de estado no sólido, como bombillas incandescentes, e incluso los actuales LED InGaN azules recubiertos de fósforo con una solución de mezcla de colores de estado sólido, lo que a su vez conduce a una reducción significativa en el consumo global de energía”.

“Nuestro trabajo también podría tener implicaciones más amplias para la industria de semiconductores y electrónica, ya que el nuevo método descrito aquí sigue los procedimientos de fabricación estándar de la industria y puede ser ampliamente adoptado e implementado a escala”, dijo Eugene Fitzgerald, director ejecutivo de SMART e investigador principal principal de LEES. “En un nivel más macro, además de los beneficios ecológicos potenciales que podrían resultar de los ahorros de energía impulsados ​​por InGaN, nuestro descubrimiento también contribuirá a la investigación continua del campo y al desarrollo de nuevas estructuras InGaN eficientes”.

Fuente: Phys.org.

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