Neue Nanodraht-UV-LEDs liefern fünffach helleres Licht für fortgeschrittene Anwendungen

Forscher nutzen Nanodrähte und eine spezielle Schalenart, um Ultraviolett-Licht-emittierende Dioden zu bauen. Sie erzeugen 5-mal höhere Lichtintensität als LEDs mit konventionellem Schalendesign.

Vorgehensweise

UV-LEDs finden zunehmende Anwendungen: Wasserreinigung, Spektroskopie, Photopolymer-Härtung, medizinische Desinfektion.

Deep-UV-LEDs auf Nanodrahtbasis erhielten viel Aufmerksamkeit, da sie neue Funktionalitäten durch ihre Nanoskalengröße und diskrete Natur bieten. Beispielsweise können Einzel-Nanodraht-LEDs Systeme für subdiffraktive optische Lithografie bauen, skalierbar zu pixelierten Arrays für Wafer-Level-Lithografie.

Forscher am NIST nutzten kürzlich eine spezielle Schale, um nanodrahtbasierte UV-LEDs zu entwickeln, die 5-mal höhere Lichtintensität als konventionelle Schalen-Designs erzeugen.

Wie sie es machten

Das Team arbeitete lately an Nanodrahtkernen aus silizium-dotiertem Galliumnitrat (zusätzliche Elektronen), umhüllt von Schalen aus magnesium-dotiertem Galliumnitrat (Überschuss «Löcher» für fehlende Elektronen). Wenn ein Loch mit einem Elektron verschmilzt, wird erhebliche Energie als Licht ausgestoßen – Elektrolumineszenz.

2017 enthüllten sie Galliumnitrat-LEDs mit Elektroneneinschuss in die Schale zur Lochverschmelzung und Hochintensitätslicht. Die neuen LEDs funktionieren ähnlich, aber Forscher fügten der Schale eine kleine Menge Aluminium hinzu.

Referenz: NanoTechnology | doi:10.1088/1361-6528/ab07ed | NIST

Das Aluminium minimiert Verluste durch Elektronenüberlauf und Lichtreabsorption. Genauer: Es erzeugt Asymmetrie im elektrischen Strom, verhindert Elektronenbewegung in die Schale. Dies begrenzt Löcher und Elektronen auf den Nanodrahtkern – Resultat: fünffach höhere Lichtintensität.

Nanodraht-LED | Aluminium in Schale (schwarz) begrenzt Löcher/Elektronen in Kern (mehrfarbig), erzeugt intensives Licht | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Forscher nutzten eine «p-i-n»-Struktur zur LED-Fertigung aus Nanodrähten. Die Struktur repräsentiert ein Drei-Schichten-Design für Elektronen- und Locheinschuss in den Nanodraht.

Je größer der Nanodrahtdurchmesser, desto mehr Aluminium lässt sich in gefertigte Strukturen einbauen. Der Nanodraht dieser Studie hatte 440 nm Länge und 40 nm Schalendicke. Die resultierenden LEDs waren fast 10x größer.

Technologieumsetzung

Das Team hält bereits Patent für Gerät, das LED mit Mikrowellen-Scanning-Sondenmikroskopie integriert für sichere, kontaktlose Prüfung von Halbleiternanostrukturen. Auch nutzbar für Zellstruktur- und Proteinentfaltungsstudien.

Während Strukturen dieser Arbeit die ungefähre Zusammensetzung für Trägerkonfinierung zielten, könnte höherer Aluminiumanteil Forschern helfen, Wellenlänge zu konfigurieren und Emission/Polarisation im Galliumnitrat-Kern zu kontrollieren. Bleibt zukünftige Arbeit.

Aktuell arbeiten Forscher mit zwei privaten Organisationen an nanodrahtbasierten Micro-LEDs. Eine baut Dopant- und Strukturcharakterisierungstechniken. Bald wird das Team LED-Prototyp-Tools demonstrieren.