Forschung -

Nanodraht-LEDs mit sehr hoher Lichtintensität

Nanodraht-Experten am 'National Institute of Standards and Technology' (NIST) entwickelten UV-LEDs, die dank eines speziellen Schalentyps eine fünfmal höhere Lichtintensität erzeugen als vergleichbare LEDs, die auf einem einfacheren Schalenaufbau basieren.

UV-LEDs werden in einer wachsenden Anzahl von Anwendungen, wie Polymerhärtung, Wasserreinigung und medizinische Desinfektion, eingesetzt. Aber Mikro-LEDs sind auch für visuelle Displays von Interesse. Die Mitarbeiter des NIST experimentieren auch mit Nanodraht-LEDs für Scanning-Sondenspitzen für Anwendungen in der Elektronik und der Biologie.

Die neuen, helleren LEDs sind das Ergebnis der NIST-Expertise bei der Herstellung hochwertiger Galliumnitrid (GaN) -Nanodrähte. In letzter Zeit experimentierten Forscher auch mit Nanodrahtkernen aus siliziumdotiertem GaN, das zusätzliche Elektronen aufweist.

Umgeben sind die Kerne von Schalen aus magnesiumdotiertem GaN, das einen Überschuss an "Löchern" von fehlenden Elektronen aufweist. Wenn sich ein Elektron und ein Loch verbinden, wird Energie in Form von Licht freigesetzt, ein Prozess, der ja als Elektrolumineszenz bezeichnet wird.

Die NIST-Gruppe zeigte zuvor GaN-LEDs, die Licht erzeugten, das Elektronen zugeschrieben wurde, die in die Außenschicht injiziert wurden, um sich mit Löchern zu rekombinieren.

Die neuen LEDs haben ein winziges Stück Aluminium in der Außenschicht, das die Verluste durch Elektronenüberlauf und Lichtreabsorption reduziert.

Wie in der Zeitschrift "Nanotechnology" beschrieben, werden die helleren LEDs aus Nanodrähten mit einer sogenannten "p-i-n"-Struktur hergestellt, einem dreischichtigen Aufbau, der Elektronen und Löcher in den Nanodraht injiziert.

Die Zugabe von Aluminium zur Hülle hilft dabei, die Elektronen auf den Nanodrahtkern zu konzentrieren und die Elektrolumineszenz um das Fünffache zu steigern.

"Die Rolle des Aluminiums besteht darin, eine Asymmetrie in den elektrischen Strom einzuführen, die verhindert, dass Elektronen in die Schalenschicht fließen, was den Wirkungsgrad verringern würde, und stattdessen Elektronen und Löcher auf den Nanodrahtkern konzentriert", sagte Erstautor Matt Brubaker.

Die Nanodraht-Teststrukturen waren etwa 440 nm lang und hatten eine Schalenstärke von etwa 40 nm. Die endgültigen LEDs, einschließlich der Gehäuse, waren fast 10-mal größer.

Die Forscher fanden zudem heraus, dass die Aluminiummenge in den gefertigten Strukturen vom Durchmesser des Nanodrahts abhängt.

Laut Gruppenleiter Kris Bertness entwickeln mindestens zwei Unternehmen Mikro-LEDs auf der Basis von Nanodrähten, und NIST hat mit einem der Unternehmen eine kooperative Forschungs- und Entwicklungsvereinbarung, um Dotierungsmethoden und Strukturcharakterisierungen zu entwickeln.

Die Forscher hatten bereits Vorgespräche mit Scanning-Probe-Unternehmen über die Verwendung von NIST-LEDs in ihren Tastspitzen. NIST plant, in Kürze Prototypen von LED-Tools zu demonstrieren.

Das NIST-Team hält das US-Patent 8,484,756 für ein Instrument, das die Mikrowellen-Rastersondenmikroskopie mit einer LED zur zerstörungsfreien und berührungslosen Prüfung der Materialqualität von wichtigen Halbleiter-Nanostrukturen, wie Transistorkanäle und einzelne Körner in Solarzellen, kombiniert.

Die Sonde lässt sich auch für biologische Untersuchungen zur Protein-Entwicklung und Zellstruktur verwenden.

Schrifttum: M.D. Brubaker, K.L. Genter, A. Roshko, P.T. Blanchard, B.T. Spann, T.E. Harvey and K. A. Bertness. UV LEDs Based on p-i-n Core-Shell AlGaN/GaN Nanowire Heterostructures Grown by N-polar Selective Area Epitaxy. Nanotechnology. Published March 21, 2019. DOI: 10.1088/1361-6528/ab07ed

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