LED はナノスケールに入るが、これまでで最小の LED には効率のハードルが課題

ナノスケール LED はフォトニクスの最もエキサイティングなフロンティアの 1 つであり、人間の目で認識できるよりも小さなディスプレイやデバイスとして有望ですが、実用的なマイクロ LED テクノロジーへの道には基礎的な物理的課題が山積しており、エンジニアはまだ解決し始めたばかりです。研究者が LED をナノメートル領域に押し込むにつれて、効率は急激に低下し、そもそも小型化された光源を非常に魅力的なものにしているまさにその利点が損なわれる恐れがあります。

ナノスケール LED とは何ですか?また、なぜ重要なのでしょうか?

ナノスケール LED (寸法に応じてマイクロ LED またはナノ LED と呼ばれることが多い) は、その活性領域の直径が数百ナノメートルから数十ナノメートルの発光ダイオードです。このような規模では、従来の半導体製造技術は、大型 LED では遭遇しない方法で、量子力学、表面化学、材料欠陥の厳しい限界を満たします。

魅力は非常に大きいです。ナノ LED は、拡張現実ヘッドセットや仮想現実ヘッドセット、次世代医療画像ツール、光ニューラル インターフェイス、光の速度でデータを転送するオンチップ光相互接続用の超高解像度ディスプレイを可能にする可能性があります。 OLED テクノロジーと比較して、マイクロ LED は、少なくとも理論上は優れた輝度、長寿命、低消費電力を約束します。実際には、それらをナノスケールの寸法で効率的に動作させることが、現代の半導体工学における最も困難な問題の 1 つであることが判明しています。

最小の LED で効率が低下する原因は何ですか?

ナノスケール LED が直面している中心的な課題は、研究者が「効率ドループ」と呼ぶ現象、つまりデバイスの寸法が縮小するにつれて外部量子効率 (EQE) が急激に低下する現象です。この効果は、いくつかの複合メカニズムによって促進されます。

表面再結合損失: 表面積対体積の比がナノスケールで劇的に増加するため、電荷キャリア (電子と正孔) がデバイス表面に到達して非放射的に再結合し、光の代わりに熱を発生する可能性がはるかに高くなります。

エッチングによる側壁の損傷: 小さな LED メサのパターニングに使用されるプラズマ エッチング プロセスでは、側壁に沿って結晶欠陥と未結合の化学結合が導入され、デバイスの効率を奪う追加の非発光再結合中心が生成されます。

高キャリア密度でのオージェ再結合: 同じ電流密度をはるかに小さい活性体積に注入すると、局所的なキャリア濃度が急増し、光子ではなく熱としてエネルギーを浪費する三体プロセスであるオージェ再結合が引き起こされます。

不十分な電流拡散: ナノスケールの寸法では、注入された電流は活性領域全体に均一に分布するのではなく、接点付近に集中する傾向があり、劣化を促進し均一性を低下させるホットスポットを生成します。

光子抽出の困難: 量子閉じ込め効果により発光の方向性と波長が変化し、小さなデバイス体積から効率的に光子を抽出することが困難になります。

「大型 LED を効率的にする物理学は、実際にはナノスケールで不利に働きます。寸法を縮小するたびに、より多くの表面が露出し、表面は光が消える場所です。表面不動態化をナノレベルで解決することが、残りの技術の鍵を握る鍵となります。」 — 一流のフォトニクス研究者、ネイチャーフォトニクスシンポジウム、2024

研究者は表面不動態化の問題にどのように取り組んでいますか?

表面パッシベーション（欠陥状態を中和するための露出した半導体表面の化学処理）は、ナノ LED エンジニアリングにおける主要な研究焦点となっています。 MIT、KAIST、IMECのチームは、側壁をコーティングして非放射再結合を抑制するために、アルミナとハフニウム酸化膜の原子層堆積（ALD）を実験した。結果は有望ですが一貫性がなく、パッシベーションの品質は前駆体の化学的性質と堆積温度に非常に敏感です。

並行アプローチでは、従来の量子井戸ではなく量子ドット (QD) 活性層を使用します。ベカ

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