Un team di ricerca dell'Università di Xiamen ha dimostrato sperimentalmente che l'utilizzo di una struttura a mesa esagonale può migliorare significativamente le prestazioni dei diodi a emissione di luce (LED) microgreen in nitruro di indio e gallio (InGaN). La ricerca, pubblicata su *Optics Express*, Volume 33, Pagina 42747, 2025, descrive in dettaglio come l'ottimizzazione della geometria della mesa del microLED possa risolvere gli attuali problemi di uniformità e migliorare l'efficienza fotoelettronica, fondamentale per le tecnologie di visualizzazione e comunicazione di prossima generazione. Il simbolo "mesa" si riferisce all'area rialzata sul microLED che forma la superficie di emissione luminosa (LES), il componente principale per l'emissione luminosa.
1. Disegno della ricerca: confronto di tre strutture Mesa e vantaggi delle strutture esagonali
Questo studio ha confrontato tre strutture mesa: circolare, quadrata ed esagonale. Tutte le strutture sono state realizzate a partire da materiali multistrato di nitruro di indio gallio/nitruro di gallio (InGaN/GaN) cresciuti su substrati di zaffiro modellati mediante deposizione chimica da vapore metallo-organica (MOCVD).
La mesa esagonale, con i suoi sei vertici distribuiti uniformemente, raggiunge tre ottimizzazioni chiave:
* Riduce la distanza massima tra l'elettrodo p centrale e il bordo della mesa, migliorando l'uniformità della diffusione della corrente all'interno della regione attiva;
* Allevia il problema dell'accumulo di corrente d'angolo comunemente riscontrato nelle mesa quadrate, riducendo le regioni a bassa densità di corrente che portano al degrado delle prestazioni;
* Possiede un rapporto perimetro/area elettrodo (P/A) bilanciato, ottimizzando l'efficienza dell'iniezione del vettore e sopprimendo al contempo la ricombinazione parassitaria.
2. Valore applicativo: scenari principali e significato tecnologico dei LED verdi in miniatura
I LED verdi in miniatura che operano entro l'intervallo di massima sensibilità dell'occhio umano sono dispositivi chiave in settori quali i display a colori ad alta fedeltà, i sistemi di realtà aumentata/realtà virtuale (AR/VR), la fototerapia e la comunicazione con luce visibile.
Il valore fondamentale di questa ricerca risiede nel dimostrare che l'ottimizzazione della geometria strutturale su scala microscopica può ottenere miglioramenti prestazionali quantificabili senza alterare la composizione del materiale. La mesa esagonale, con la sua superiore capacità di diffusione della corrente, la minore perdita non radiativa e la maggiore efficienza quantica esterna (EQE), è diventata una soluzione strutturale altamente promettente per LED ad alta efficienza per micro-display e comunicazioni, allineandosi perfettamente alla tendenza del settore verso dispositivi fotonici miniaturizzati, ad alta luminosità e a lunga durata.
3. Dati sperimentali: quantificazione dei vantaggi prestazionali delle strutture esagonali
Nei test sulle prestazioni elettriche, la tensione di accensione dei tre dispositivi strutturali è rimasta costante a circa 3,3 V, ma sono state osservate differenze significative ad alte tensioni di polarizzazione:
Con una tensione di polarizzazione di 10 V, la densità di corrente del LED esagonale ha raggiunto 285,8 A/cm², superando di gran lunga quella della mesa quadrata (199,9 A/cm²) e circolare (164,7 A/cm²); questi dati indicano che l'effetto di distribuzione della corrente ottimizzato migliora direttamente l'efficienza dell'iniezione dei portatori.
All'aumentare della corrente, la lunghezza d'onda di emissione del LED esagonale mostra un significativo spostamento verso il blu di 2,9 nm, il che significa che la distribuzione più uniforme dei portatori riduce l'effetto di confinamento quantistico.
Nei test sulle prestazioni ottiche, i vantaggi della struttura esagonale sono diventati ancora più evidenti:
Con una densità di corrente di iniezione di 200 A/cm², la densità di potenza in uscita del micro-LED esagonale ha raggiunto 4,94 W/cm², superando quella delle strutture circolari (3,86 W/cm²) e quadrate (3,14 W/cm²);
La sua efficienza quantica esterna (EQE) ha raggiunto il picco del 19,9% a una densità di corrente di 10,41 A/cm², superiore a quella dei dispositivi circolari (16,9%) e quadrati (17,6%);
Come indicatore chiave del degrado dell'efficienza con la corrente, il tasso di decadimento EQE della struttura esagonale era solo del 48,2%, inferiore a quello delle strutture circolari (52,4%) e quadrate (56,1%), dimostrando le sue prestazioni superiori nell'equilibrio termico e nell'equilibrio di ricombinazione elettrone-lacuna.
