Zespół badawczy z Uniwersytetu Xiamen wykazał eksperymentalnie, że zastosowanie heksagonalnej struktury mesa może znacząco poprawić wydajność mikrozielonych diod elektroluminescencyjnych (LED) z azotku indu i galu (InGaN). Badania, opublikowane w czasopiśmie *Optics Express*, tom 33, strona 42747, 2025, szczegółowo opisują, jak optymalizacja geometrii mesa microLED może rozwiązać obecne problemy z jednorodnością i poprawić wydajność fotoelektryczną – kluczowe dla technologii wyświetlania i komunikacji nowej generacji. „"mesa"” odnosi się do wypukłego obszaru na mikroLED, który tworzy powierzchnię emitującą światło (LES), kluczowy element odpowiedzialny za emisję światła.
1. Projekt badawczy: Porównanie trzech struktur mesa i zalety struktur heksagonalnych
W niniejszym badaniu porównano trzy struktury mesa: okrągłą, kwadratową i heksagonalną. Wszystkie struktury wykonano z wielowarstwowych materiałów z azotku indu i galu/azotku galu (InGaN/GaN), wyhodowanych na wzorzystych podłożach szafirowych metodą osadzania chemicznego z fazy gazowej związków metaloorganicznych (MOCVD).
Sześciokątna mesa, z sześcioma równomiernie rozłożonymi wierzchołkami, pozwala na osiągnięcie trzech kluczowych optymalizacji:
* Skracają maksymalną odległość między centralną elektrodą p a krawędzią mesy, co poprawia równomierność dyfuzji prądu w obszarze aktywnym;
* Rozwiązuje problem gromadzenia się prądu w narożnikach, powszechnie występujący w kwadratowych mesach, redukując obszary o niskiej gęstości prądu, które prowadzą do pogorszenia wydajności;
* Posiada zrównoważony stosunek obwodu do powierzchni elektrody (P/A), co optymalizuje wydajność wstrzykiwania nośników i zapobiega rekombinacji pasożytniczej.
2. Wartość zastosowania: scenariusze podstawowe i znaczenie technologiczne miniaturowych zielonych diod LED
Miniaturowe zielone diody LED działające w zakresie maksymalnej czułości ludzkiego oka są kluczowymi urządzeniami w takich dziedzinach, jak wyświetlacze o wysokiej wierności kolorów, systemy rzeczywistości rozszerzonej/rzeczywistości wirtualnej (AR/VR), fototerapia i komunikacja za pomocą światła widzialnego.
Kluczową wartością tych badań jest wykazanie, że optymalizacja geometrii strukturalnej w skali mikro może prowadzić do wymiernej poprawy wydajności bez zmiany składu materiału. Heksagonalne struktury mesa, charakteryzujące się doskonałą zdolnością rozpraszania prądu, niższymi stratami bezpromienistymi i wyższą zewnętrzną wydajnością kwantową (EQE), stały się wysoce obiecującym rozwiązaniem konstrukcyjnym dla wysokowydajnych diod LED do mikrowyświetlaczy i komunikacji, idealnie wpisując się w panujący w branży trend miniaturyzacji, wysokiej jasności i długiej żywotności urządzeń fotonicznych.
3. Dane eksperymentalne: Kwantyfikacja zalet wydajnościowych struktur heksagonalnych
Podczas testów wydajności elektrycznej napięcie włączenia trzech elementów konstrukcyjnych utrzymywało się na stałym poziomie około 3,3 V, ale przy wysokich napięciach polaryzacji zaobserwowano znaczące różnice:
Przy napięciu polaryzacji 10 V gęstość prądu sześciokątnej diody LED osiągnęła 285,8 A/cm², znacznie przekraczając gęstość prądu kwadratowej (199,9 A/cm²) i okrągłej (164,7 A/cm²) diody; dane te wskazują, że zoptymalizowany efekt rozpraszania prądu bezpośrednio poprawia wydajność wtrysku nośników.
W miarę wzrostu natężenia prądu długość fali emisji sześciokątnej diody LED wykazuje znaczące przesunięcie w kierunku niebieskim o 2,9 nm, co oznacza, że bardziej równomierny rozkład nośników zmniejsza efekt ograniczenia kwantowego.
Podczas testów wydajności optycznej zalety struktury heksagonalnej stały się jeszcze bardziej widoczne:
Przy gęstości prądu wtrysku wynoszącej 200 A/cm² gęstość mocy wyjściowej sześciokątnej mikrodiody LED osiągnęła 4,94 W/cm², przewyższając gęstość mocy struktur okrągłych (3,86 W/cm²) i kwadratowych (3,14 W/cm²);
Jego zewnętrzna wydajność kwantowa (EQE) osiągnęła szczyt na poziomie 19,9% przy gęstości prądu wynoszącej 10,41 A/cm², co jest wynikiem lepszym od urządzeń okrągłych (16,9%) i kwadratowych (17,6%);
Kluczowym wskaźnikiem degradacji wydajności przy przepływie prądu jest szybkość zaniku EQE struktury heksagonalnej, która wyniosła zaledwie 48,2% i była niższa od szybkości zaniku struktur kołowych (52,4%) i kwadratowych (56,1%), co dowodzi jej lepszej wydajności pod względem równowagi termicznej i równowagi rekombinacji elektronowo-dziurowej.
